千渭濕地典型植被土壤及水質分析

魏 華 楊 金 李 濤 蘇少峰 王 璐 成軍鋒

（1.寶雞職業技術學院，陜西 寶雞 721013；2.中鐵水務集團有限公司， 陜西 西安 710061；3.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；4.寶雞千渭之會濕地公園管理處，陜西 寶雞 721004 ）

城市濕地公園集城市、濕地、公園為一體，是一個十分完整的生態系統。土壤酶活性是反映土壤微生物群落生態功能的重要指標。陜西省寶雞市千渭之會國家濕地（以下簡稱“千渭濕地”）公園于2017 年竣工，其對保護、恢復渭河、千河濕地環境，促進生態環境的良性發展，維持生物多樣性具有重要意義。因千渭濕地剛建成不久，國內外學者對此區域的土壤酶活性、總碳、總有機碳及水質的研究鮮見報道。開展濕地土壤及水質理化研究對于深入理解千渭濕地土壤能量流動、土壤團粒結構形成等過程具有重要意義。本研究選取千渭濕地中的香蒲（Typha ovientalis）、白茅（Imperata cylindrica）兩種典型植物底泥樣品，以及污水口的底泥樣品、農田土壤樣品，采用土壤及水質常規分析方法檢測四個樣本之間的酶活性、總碳、總有機碳及水質差異，為人工濕地中植物選擇優化及評價提供理論依據和技術指導。

1.材料與方法

1.1 研究區概況

千渭濕地地理坐標為107o13′-107o20′E，34o19′-34o28′N，位于陜西省寶雞市東部千河與渭河交匯處，屬大陸性季風氣候類型，四季分明。公園總面積1864.0 公頃，濕地面積1716.3公頃，占總面積的92.1%。海拔540-615米，年平均氣溫為7.6℃-12.9℃。年平均相對濕度為68%-72%，氣候偏干旱。區域內以蘆葦、香蒲、白茅、水蔥、荷花等組成優勢水生及濕生植物。

1.2 樣品采集

于2020 年7 月夏季（植物生長旺季），選取千渭濕地內香蒲、白茅兩種典型植物底泥樣品，以及污水口的底泥樣品、農田土壤樣品作為研究對象。每個地區選取3 塊底泥或土壤作為重復樣本，各樣本混合均勻。將各樣品去雜風干過篩后，用于理化性質的測定。在香蒲濕地和白茅濕地的下游也進行同步取樣，采集3 份表層水樣，及時對水樣進行水質分析。

1.3 樣品理化分析

對4 份樣品進行理化性質測定，每個樣品重復6 次，取平均值。土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，土壤過氧化氫酶活性采用容量法測定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，土壤總碳、有機碳均采用土壤常規分析方法。水質采用哈希多參數水質分析儀檢測；化學需氧量、氨氮、總氮分別采用重鉻酸鉀法（GB11914-89）、蒸餾-中和滴定法（HJ7479-87）、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894-89）進行檢測。

1.4 土壤或底泥真菌基因組DNA 提取、PCR 擴增

采用CTAB 方法提取土壤或樣品的基因組DNA[4],使用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 的純度和濃度后，使用無菌水將DNA 稀釋至1 ng/μl。使用帶Barcode 的ITS5-1737F（GGAAGTAAAAGTCGTAAC AAGG） 和ITS2-2043R（GCTGCGTTCTTCATCGA TGC）引物擴增真菌ITS1 區。擴增程序為：98℃預變性1 min；30 個循環包括（98℃變性10s，50℃退火30 s，72℃延伸30 s）；循環結束后72℃延伸5 min。擴增體系為30 μl: 2× Phusion Master Mix 15μl,3μl Prime（2μmol/L），DNA 10μl，超純水2μl。

1.5 文庫構建與上機測序

使用TruSeq DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫試劑盒進行文庫構建后，采用Qubit 和qPCR 定量，檢測合格后利用Illumina NovaSeq 平臺進行測序。

1.6 數據處理

利用FLASH、QIIME、MOTHUR 等軟件獲得高質量序列，用Uparse 軟件以97%相似度劃分OTU,同時對OTUs 代表序列進行物種注釋。應用EXCEL 2016、SPSS 23.0 軟件及Mothur、QIIME 軟件計算土壤及底泥樣品真菌Alpha 多樣性指數。

2.結果與分析

2.1 底泥或土壤理化分析

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通過對千渭濕地不同底泥及土壤樣品的理化性質分析，蔗糖酶活性農田＞香蒲＞白茅＞污水口，且這四者存在顯著差異（P ＜ 0.05）；過氧化氫酶活性污水口＞香蒲＞農田＞白茅，四者也存在顯著差異（P ＜ 0.05）；磷酸酶活性香蒲＞農田＞污水口＞白茅，污水口與白茅之間沒有顯著差異（P ＞ 0.05）；總碳含量香蒲＞農田＞污水口＞白茅，污水口與白茅之間沒有顯著差異（P ＞ 0.05）；總有機碳含量香蒲＞農田＞白茅＞污水口，污水口與白茅之間沒有顯著差異（P ＞ 0.05）。磷酸酶活性的大小順序與總碳含量的大小順序相一致。

香蒲、污水口底泥及農田土壤樣本之間，蔗糖酶、過氧化氫酶、磷酸酶、總碳、總有機碳均存在顯著差異，且香蒲與白茅的底泥樣本之間蔗糖酶、過氧化氫酶、磷酸酶、總碳、總有機碳也均存在顯著差異（P ＜ 0.05）。農田土壤中的蔗糖酶活性及磷酸酶活性分別是污水口底泥的10倍和4 倍多；相反，污水口底泥的過氧化氫酶活性是農田土壤的1.7 倍。在白茅和香蒲濕地中，兩者的蔗糖酶活性均比農田低，而比污水口高。香蒲濕地的磷酸酶活性、總碳含量、總有機碳含量也均高于白茅濕地、污水口和農田。

2.2 水質分析

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由表2 可以看出，千渭濕地水質的pH 值為7.66 、化學需氧量為13mg/L、氨氮的檢測值為1.395mg/L、總氮檢測值為8.35mg/L，均符合標準限值。表明千渭濕地的水體中，化學需氧量、氨氮、總氮的含量都達到國家標準。

2.3 底泥或土壤真菌ACE 指數分析

4 個樣品真菌群落的ACE 指數值，如圖1 所示。白茅濕地、香蒲濕地、農田土壤的ACE 指數分別為：2146.55、2188.59、1285.08，排污口的ACE 指數值最低為1174.83。真菌群落ACE 指數值在白茅濕地與香蒲濕地之間沒有顯著差異（P ＞ 0.05）；農田土壤與排污口底泥ACE 指數值也沒有顯著差異（P ＞ 0.05）；兩個濕地ACE指數值均與農田土壤、排污口底泥之間存在顯著差異（P＜ 0.05）。

圖1 ACE指數的組間差異

3.討論

3.1 底泥理化分析

過氧化氫酶廣泛存在于土壤和生物體內，能有效防止土壤代謝過程中產生的過氧化氫對生物體造成的毒害。蔗糖酶可以把土壤中的高分子量的蔗糖分解成能夠被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖、果糖。蔗糖酶能為土壤生物體提供充分能源，其活性反映了土壤有機碳累積與分解轉化的規律。

本研究，排污口沒有植物生長，過氧化氫酶活性高，可有效防止底泥中過氧化氫對下游植物體造成的毒害。過氧化酶活性過高也不適合微生物生長和繁殖，這也就能夠解釋在濕地公園中栽種植物的重要性和必要性。土壤中的磷酸酶參與土壤有機磷轉化為無機磷，積累的磷酸酶對土壤磷素的有效性具有重要意義。本文研究發現，因香蒲濕地、白茅濕地及污水口，三處采樣點的底泥樣品常年處于淹水和厭氧環境，而農田未處于此狀態，所檢測的蔗糖酶活性農田中最高?？梢哉f明，蔗糖酶活性大小，與樣品所處的環境有關。

本研究中，香蒲濕地底泥中不僅過氧化氫酶及磷酸酶活性顯著高于其他樣品，且總碳、總有機碳含量也明顯高于其他樣品。有研究表明，蘆葦濕地底泥過氧化氫酶活性與底泥中有機質呈極顯著正相關，說明土壤有機質不僅是其他養分的重要來源和儲藏場所，也是過氧化氫酶的來源和儲藏地，這與我們的研究結果相一致。

有機碳既可以作為土壤酶的底物，又可以為微生物的生長和繁殖提供碳源，因此，土壤有機碳的含量對微生物多樣性和酶活性的高低均有影響。有機碳可以有效改善土壤理化性質及調節土壤養分循環，是評價土壤肥力的關鍵指標，土壤有機質與土壤結構的穩定有很大關系，有機質含量高土壤，其土壤較為疏松多孔，滲透性能好抗蝕性會增高。本研究中，香蒲底泥的有機碳含量最高，其底泥的肥力及抗蝕性也也較其他樣品高。

不同植物種類土壤滲透性存在較大差異，這主要是受植物根系分布和結構特征的影響。植物根系能有效改善土壤結構，增加土壤的非毛管孔隙度，減小土壤容重，提高土壤入滲性能。白茅和香蒲兩種植物，它們的根系通過數量龐大的分支在底泥中穿插串聯土壤，改善土壤結構，增加土壤孔隙度和有機碳含量。白茅為多年生根莖禾草，繁殖能力強，對貧瘠、干旱及中輕度鹽漬化土壤均有較強的適應性，是C4 植物。白茅主根和側根都極其發達，地下根系較長且細根發達，地上部分也較發達，因此，白茅在土壤中的滲透性都較高。

3.2 水質理化分析

千渭濕地選用目前較為廣泛的沙粒、沙土、石塊等透水性基質，為微生物的生長提供穩定的附著表面，也為水生植物提供載體和營養物質。本研究，因在夏季采樣，氣溫較高，植物生長旺盛，可以更好地截留、過濾顆粒物質，濕地植物光合作用產生的氧氣輸送至根部，也會促進微生物進一步對有機物進行降解。我們所測的COD 值為13，達到地表V 類標準要求（40mg/L）。

人工濕地對氨氮的去除機理主要是微生物的硝化作用，吸附的氮元素通過反硝化作用將其去除。反硝化作用將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為氣態氮，氮元素最終以氣態形式從濕地中去除。人工濕地對總氮的去除機理同氨氮，即微生物將硝酸鹽和煙硝酸鹽氮還原成氮氣。夏季植物生長較為茂盛，硝化細菌較為活躍，協同作用有利于氮的去除。

千渭濕地的水體中，化學需氧量、氨氮、總氮的含量都達到國家標準，實現了對污染物穩定、高效的去除效果，有效改善了景觀湖河道水質，發揮了濕地的凈化功能，充分發揮其美化環境，增加水源、改善生態環境的作用，實現了區域水系的可持續發展。

綜上所述，本課題研究了千渭濕地不同采樣點土壤酶、有機碳及總碳，對比了不同底泥或土壤樣品間土壤酶、有機碳、總碳及有機碳差異，主要探究土壤及水質理化性質與碳、氮循環相關的變化特征，著力揭示千渭濕地不同植被對水質凈化的響應機制。以期為篩選人工濕地植物和生態修復提供重要理論依據。今后，我們還將會從底泥植物根系分泌物、物質代謝、微生物群落等多種角度認識不同植物根區之間的差異，從而更全方面地了解千渭濕地的微環境系統。