生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤酶活性的影響

何元友 全桂香

（鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，因其多孔的結(jié)構(gòu)，能夠降低土壤容重，減小土壤緊實(shí)度，從而有利于對土壤營養(yǎng)釋放。近年來，有研究表明：生物質(zhì)炭可以改善土壤重金屬污染的形態(tài)和遷移行為，降低鉛、鎘、銅等重金屬的移動性，吸收農(nóng)藥殘留，并調(diào)節(jié)土壤中微量元素的含量[1]。土壤酶能夠反映土壤污染狀況，是研究土壤環(huán)境的重要指標(biāo)。本研究旨在探討生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤酶活性的影響，從而為利用生物質(zhì)炭改良重金屬污染土壤提供一定的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

鹽城系江蘇省管轄地級市，轄區(qū)總面積16900km2。以蘇北灌溉總渠為界，其北屬于北亞熱帶氣候，其南屬于南暖溫帶氣候。氣候受海洋的影響較大，季風(fēng)氣候明顯。作為沿海城市，鹽城工業(yè)相對發(fā)達(dá)，同時(shí)也面臨著較為嚴(yán)峻的重金屬污染，尤其是造紙、化工等企業(yè)重金屬污染十分嚴(yán)重，破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，急需采取有效的重金屬污染治理措施。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 試劑與儀器設(shè)備

2.1.1 主要試劑

氫氧化鉀、二氧化硅、鹽酸、氫氧化鈉、苯酚、檸檬酸、甲醇、乙醇、丙酮、次氯酸鈉、甲苯、尿素、硫酸銨、3,5- 二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、蔗糖、葡萄糖、TTC、低亞硫酸鈉（保險(xiǎn)粉）、甲醇、硼砂、鐵氰化鉀等。所有試劑均為分析純。

2.1.2 主要儀器設(shè)備

ZHP-2102L 雙層恒溫振蕩培養(yǎng)箱、HH-8 數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州普天儀器制造有限公司）、SPJ-300 生化培養(yǎng)箱（上海梅香儀器有限公司）、紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 樣品采集

在鹽城某重金屬污染區(qū)域取3m×1m×1m 剖面坑，0m、0.2m、0.4m、0.6m、0.8m 處取土樣500g，放入樣品袋，貼上標(biāo)簽。

2.2.2 處理方法

土樣研磨后，以添加0 t·hm-2生物質(zhì)炭為對照，以添加20 t·hm-2、40 t·hm-2、80 t·hm-2生物質(zhì)炭為處理1（C1）、處理2（C2）和處理3（C3），各處理均設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。

2.2.3 土壤理化性質(zhì)分析

土壤含水率采用烘干法，有機(jī)質(zhì)采用重絡(luò)酸鉀容量法- 稀釋熱法，總氮采用半微量開氏法，總磷采用NaOH 熔融- 鉬銻抗比色法。

2.3 測定方法

2.3.1 脲酶測定方法

稱取鮮土0.5g，1mL 甲苯，15min 后加入20mL pH 為6.7 的檸檬酸鹽緩沖液和10mL 10%的尿素溶液，搖勻后37℃下培養(yǎng)24h，過濾后取3mL 濾液定容至50mL 比色管，578nm 下比色。

2.3.2 蔗糖酶測定方法

稱取0.5g 鮮土，15mL 8%蔗糖溶液，5mL pH=5.5 磷酸緩沖液和5 滴甲苯，37℃培養(yǎng)24h，過后過濾后取1mL 濾液加3mL 3,5- 二硝基水楊酸,并在沸騰的水浴鍋中加熱5min，隨即將容量瓶移至自來水流下冷卻3min，溶液因生成3- 氨基-5- 硝基水楊酸而呈橙黃色，最后用去離子水稀釋至50mL，508nm 下比色。

2.3.3 堿性磷酸酶測定方法

稱取鮮土1g，5 滴甲苯，20mL 0.5%磷酸苯二鈉，充分振蕩后37℃培養(yǎng)2h，過濾后取1mL 濾液于50mL 比色管，分別加20mL去離子水，再加入0.25mL pH=9.0 硼酸鹽緩沖液，0.5mL 4- 氨基安替吡啉液，0.5mL 鐵氰化鉀，最后定容，于578nm 下比色。

2.3.4 脫氫酶測定方法

稱取鮮土5g，2mL1%TTC 溶液，2mL 蒸餾水，充分混勻，37℃下避光培養(yǎng)6h，之后加5mL 甲醇，劇烈振蕩1min，靜置5min，再振蕩20s，靜置5min，后群補(bǔ)過濾到比色管，并用少了甲醇洗滌三角瓶2-3 次，洗滌液也過濾到比色管，定容至25mL，485nm 下比色測定。以每g 干土生成的TPF 為脫氫酶的一個(gè)活性單位。

2.4 數(shù)據(jù)處理分析方法

錄入到SPSS 23.0，采用雙因素方差分析進(jìn)行處理。α 取0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 生物質(zhì)炭施加量對重金屬污染土壤脲酶活性的影響

對照、處理C1、C2 活性均隨土壤剖面深度的增加呈先升高后降低的趨勢，處理C3 活性則呈先下降再升高趨勢（見圖1）。方差分析表明：生物質(zhì)炭能夠增加重金屬污染土壤脲酶活性（本研究以處理C1 最優(yōu)）；重金屬污染土壤脲酶活性隨土壤深度下降而降低；生物質(zhì)炭添加量能夠拮抗土壤深度對重金屬污染土壤脲酶活性的抑制作用（P＜0.05）。張莉[2]等認(rèn)為：生物質(zhì)炭為脲酶酶促反應(yīng)提供了基質(zhì)，因此添加生物質(zhì)炭能夠提高土壤脲酶活性。

圖1 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤脲酶活性的影響

3.2 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的影響

處理C0 在各土壤剖面酶活性最高。處理C2 和C3 活性隨取土深度下降而不斷上升。處理C1 活性則隨取土深度下降先降低后上升（見圖2）。方差分析表明：生物質(zhì)炭會抑制重金屬污染土壤蔗糖酶活性（本研究以處理C2 抑制效果最明顯）；重金屬污染土壤蔗糖酶活性隨土壤深度下降而增加；土壤深度能拮抗生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的抑制作用（P＜0.05）。本研究與現(xiàn)有研究結(jié)果[3]相反，可能與生物質(zhì)炭添加量超過最優(yōu)范圍有關(guān)。

圖2 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的影響

3.3 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤磷酸酶活性的影響

處理C0 活性隨土壤剖面深度下降而下降。處理C1 活性隨土壤剖面深度下降先下降再略有升高。處理C2 和處理C3 則隨土壤剖面深度下降先升高再下降（見圖3）。方差分析結(jié)果表明：添加生物質(zhì)炭能夠提高重金屬污染土壤磷酸酶活性（本研究以處理C1 最優(yōu)）（P＜0.05）；土壤深度下降對重金屬污染土壤磷酸酶活性影響不明顯（P＞0.05）。侯建偉[4]等人也表明生物質(zhì)炭可增加土壤磷酸酶活性。

圖3 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤磷酸酶活性的影響

3.4 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤脫氫酶活性的影響

處理C1 活性隨土壤剖面深度變化下降再上升。處理C2 活性則隨土壤剖面深度變化快速上升后保持相對穩(wěn)定。處理C3活性隨土壤剖面深度變化出現(xiàn)較大變化（見圖4）。雙因素方程分析結(jié)果表明：添加生物質(zhì)炭能夠提高重金屬污染土壤脫氫酶活性（本研究以C3 處理最優(yōu)）；重金屬污染土壤脫氫酶活性隨土壤深度下降而提高（P＜0.05）。韓召強(qiáng)[5]等認(rèn)為添加生物質(zhì)炭增加了土壤有機(jī)質(zhì)，改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和透氣透水性，從而為脫氫酶提供了更適宜的場所。同時(shí)，過量的生物質(zhì)炭會抑制土壤脫氫酶活性。

圖4 生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤脫氫酶活性的影響

4 結(jié)論

經(jīng)過本研究，得出如下結(jié)論：添加生物質(zhì)炭能夠提高重金屬污染土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶活性，抑制蔗糖酶活性。本研究中，處理1（20 t·hm-2）對脲酶活性和磷酸酶活性的提升效應(yīng)最明顯，處理3（80 t·hm-2）對脫氫酶活性的提升效應(yīng)最明顯，處理2（40 t·hm-2）對蔗糖酶活性的抑制效應(yīng)最明顯。同時(shí)，不同土壤深度酶活性存在差異，隨著土壤深度下降，脲酶活性有所下降，蔗糖酶和脫氫酶活性有所升高，磷酸酶活性隨土壤深度下降變化不明顯。