東平湖酶活性與溫室氣體通量及其影響因素

劉濤 曹起孟 張菊 楊麗偉 張智博 鄧煥廣

摘 要：為研究東平湖沉積物酶活性與水體溫室氣體排放通量特征及其影響因素，2018年9月布設(shè)23個(gè)采樣點(diǎn)，采集表層沉積物和表層水樣品，分析沉積物中脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，采用頂空法和雙層擴(kuò)散模型估算水氣界面N2O、CO2排放通量;采用相關(guān)分析、多元線性回歸法探討影響酶活性與溫室氣體排放通量的主要因子。結(jié)果表明：沉積物脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性平均值分別為1.379 mg/（g·d）、22.633 μg/（g·d）和0.307 mg/（g·d），N2O、CO2排放通量分別為1.18 μmol/（m2·h）、19.91 mmol/（m2·h）;酶活性在湖區(qū)東部（老湖碼頭）較高、在大汶河入湖口和湖心區(qū)較低，而N2O、CO2排放通量在大汶河入湖口較高、出湖口較低;沉積物總有機(jī)碳與3種酶活性均極顯著正相關(guān)，是影響酶活性的主要因子之一;酶活性與影響因子的回歸模型可分別解釋脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性變異程度的43.6%、73.4%和88.8%;溫室氣體排放通量?jī)H與表層水體部分理化指標(biāo)顯著相關(guān)，表層水體無機(jī)氮濃度、pH值和DO是影響N2O排放通量的主要因子，而CO2排放通量主要受水深的影響。

關(guān)鍵詞：酶活性;溫室氣體;排放通量;影響因素;東平湖

中圖分類號(hào)：X524;TV211 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.021

引用格式：劉濤，曹起孟，張菊，等.東平湖酶活性與溫室氣體通量及其影響因素[J].人民黃河，2022，44（2）：106-111.

Abstract： In order to study the characteristics and influencing factors of sediment enzyme activity and greenhouse gas emission flux in Dongping Lake， surface sediment and water samples were collected simultaneously at 23 sampling sites around the lake in September 2018. The activities of urease， sucrase and alkaline phosphatase in sediments were analyzed， and the N2O and CO2 emission fluxes at the water-air interface were analyzed and estimated by the headspace method and double-layered diffusion model. The main influencing factors were explored by conducting Pearson correlation analysis and multiple linear regression. The results show that the activities of urease， sucrase and alkaline phosphatase are 1.379 mg/（g·d）， 22.633 μg/（g·d） and 0.307 mg/（g·d） respectively. The fluxes of N2O and CO2 are 1.18 μmol/（m2·h） and 19.91 mmol/（m2·h） respectively. The sediment enzyme activity is significantly higher in the east of the lake （near Laohu Wharf）， and lower in the inlet of Dawen River and central area of the lake;while the N2O and CO2 emission fluxes are higher in the inlet of Dawen River and lower in the outlet of the lake. TOC concentrations in the sediments are significantly positively correlated with the enzyme activities， indicating that sediment TOC is one of the main influencing factors. The regression models of enzyme activity and the main influencing factors can explain 43.6%， 73.4% and 88.8% of the variation degree of urease， sucrase and alkaline phosphatase activity respectively. N2O and CO2 emission fluxes are only significantly correlated with part of physicochemical indexes of the surface water;and specifically， inorganic nitrogen concentrations， water pH and DO are the main factors that affecting N2O emission fluxes， while CO2 emission fluxes are mainly affected by water depth.

Key words： enzyme activity;greenhouse gas;emission flux;influencing factor;Dongping Lake

湖泊濕地分布廣泛、水文條件特殊，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)中具有重要作用，是溫室氣體的“源”與“匯”[1]。沉積物酶主要來自微生物細(xì)胞，在調(diào)節(jié)沉積物碳、氮、磷等元素生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，酶活性可直接表征沉積物微生物活性，也可以作為人類活動(dòng)影響下沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的敏感指示因子[2-3]。目前，有關(guān)沉積物酶活性時(shí)空分布特征及其與營(yíng)養(yǎng)鹽和水體富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系的研究較多[2，4-5]，但對(duì)沉積物酶活性和溫室氣體排放及其影響因素的研究較少[6]。

東平湖位于山東省西南部，常年水面面積為124 km2，是山東省第二大淡水湖泊[7]，也是南水北調(diào)東線工程的主要調(diào)蓄湖和山東省西水東送工程的水源地。目前東平湖整體呈中營(yíng)養(yǎng)至富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，隨著對(duì)東平湖外源污染的控制和調(diào)水工程的實(shí)施，內(nèi)源污染物釋放成為影響東平湖水質(zhì)的主要因素[8-9]。已有研究多關(guān)注東平湖水質(zhì)、沉積物分布等[8，10-14]，對(duì)于影響水體碳、氮、磷等元素循環(huán)的因子如微生物活性，以及反映其環(huán)境效應(yīng)的指標(biāo)如溫室氣體排放通量等的研究相對(duì)較少[15-16]。研究通過對(duì)東平湖沉積物酶活性和水氣界面溫室氣體排放通量的測(cè)定，分析其空間分布特征，并根據(jù)二者與水體理化性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，探討影響東平湖沉積物酶活性和溫室氣體排放通量的主要環(huán)境因子，以期為進(jìn)一步研究微生物活性在湖泊濕地生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用和東平湖水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和預(yù)處理

依據(jù)《湖泊沉積物調(diào)查規(guī)范》[17]，按照均勻性和可達(dá)性原則在東平湖設(shè)置23個(gè)采樣點(diǎn)，見圖1。2018年9月在各采樣點(diǎn)使用卡蓋式采水器采集表層水樣，一部分置于500 mL聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)放入便攜式冷藏箱中保存，另一部分置于有機(jī)玻璃管密封后用于溫室氣體質(zhì)量濃度的測(cè)定[18]。使用溶解氧儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫和溶解氧（DO）含量，采用便攜式氧化還原電位儀測(cè)定水體氧化還原電位（Eh），采用塞氏盤測(cè)定水體透明度，采用自制水深測(cè)定裝置測(cè)定水深。使用一次性注射器采集空氣樣品，儲(chǔ)存于氣體采樣袋;采用抓斗式采泥器采集表層（0～10 cm）沉積物置于自封袋中放入冷藏箱保存。采集樣品的同時(shí)記錄各采樣點(diǎn)周圍環(huán)境信息，并用GPS定位。

實(shí)驗(yàn)室采用頂空法預(yù)處理有機(jī)玻璃管水樣后測(cè)定CO2和N2O的質(zhì)量濃度[18]。取部分水樣過0.45 μm濾膜置于聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)，用于氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）和溶解性有機(jī)碳的測(cè)定，濾膜用于葉綠素a的測(cè)定。沉積物于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后研磨過60目篩備用。

1.2 樣品的分析和測(cè)定

取適量過篩后沉積物樣品測(cè)定酶活性[19]，蔗糖酶（sucrase）、脲酶（urease）、堿性磷酸酶（alkaline phosphatase）活性分別采用3，5-二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。氣體中CO2、N2O質(zhì)量濃度采用氣相色譜儀測(cè)定。水體中NH3-N、NO-3-N、NO-2-N、葉綠素a質(zhì)量濃度分別采用納氏試劑分光光度法、紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和丙酮分光光度法測(cè)定[20]，水中總有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。沉積物中總磷（TP）和總有機(jī)碳分別采用酸溶-鉬銻抗比色法[21]和重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

東平湖水面寬闊，流速緩慢，滿足雙層擴(kuò)散模型的假設(shè)條件，因此采用雙層模型計(jì)算水氣界面CO2和N2O的排放通量[22]。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2019和SPSS 25.0，并利用ArcGIS10.6進(jìn)行克里金插值分析和繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 東平湖水體基本理化性質(zhì)

東平湖表層水體DO、NH3-N質(zhì)量濃度均能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（見表1），但總無機(jī)氮平均質(zhì)量濃度為1.174 mg/L，有73.9%的點(diǎn)位總無機(jī)氮質(zhì)量濃度超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)（CV）是反映變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)Wilding[23]對(duì)變異程度的分類，表層水體pH值、氧化還原電位、溶解性有機(jī)碳和沉積物pH值、TP為小變異（CV<15%），表層水體DO、透明度、NH3-N、沉積物氧化還原電位和水深為中等變異（15%≤CV≤36%），而表層水體葉綠素a、NO-3-N、NO-2-N和沉積物總有機(jī)碳為高度變異（CV>36%）。水體無機(jī)氮質(zhì)量濃度與田翠翠等[24]2016年10月的調(diào)查結(jié)果基本一致，沉積物總磷質(zhì)量濃度低于田忠志等[10]的研究結(jié)果（平均值為0.795 mg/g），一定程度上反映了近10 a來東平湖水體磷負(fù)荷降低，而沉積物總有機(jī)碳的含量和范圍則與張智博等[11-12]的研究結(jié)果較為一致。

2.2 東平湖沉積物酶活性與溫室氣體排放通量特征

東平湖沉積物脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性的平均值分別為1.379 mg/（g·d）、22.633 μg/（g·d）和0.307 mg/（g·d），其空間差異均較為顯著（CV>36%），且以蔗糖酶的變異系數(shù)最大，見表2。東平湖水氣界面N2O和CO2排放通量的平均值分別為1.18 μmol/（m2·h）和19.91 mmol/（m2·h），N2O排放通量空間變異大（CV>36%），而CO2排放通量空間變異?。–V<15%）。

進(jìn)一步對(duì)東平湖沉積物酶活性和溫室氣體排放通量的空間分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。3種酶活性的空間分布相似，均表現(xiàn)為湖區(qū)東部（老湖碼頭附近水域）酶活性顯著高于其他水域，此外脲酶和堿性磷酸酶活性在出湖口較高。然而各酶活性低值的分布有明顯差異，脲酶活性在大汶河入湖口附近最低，而蔗糖酶活性在湖區(qū)西部和湖心區(qū)處于較低水平，湖心區(qū)堿性磷酸酶活性明顯較低，此外，3種酶活性的最低值均出現(xiàn)在大汶河入湖口附近。N2O和CO2排放通量的空間分布亦表現(xiàn)出一定的相似性和規(guī)律性，其最大值均位于大汶河入湖口，而最小值均位于出湖口附近。N2O排放通量在大汶河入湖口和湖區(qū)東部較大，自東向西顯著減小，且出湖口水域N2O排放通量亦明顯減小。CO2排放通量表現(xiàn)為自大汶河入湖口向湖心至出湖口逐漸降低。

2.3 環(huán)境因子對(duì)沉積物酶活性的影響

堿性磷酸酶與脲酶和蔗糖酶活性均極顯著正相關(guān)，但脲酶和蔗糖酶活性無顯著相關(guān)性，見表3。3種酶活性均與沉積物總有機(jī)碳極顯著正相關(guān)，與水深、表層水體pH值和DO負(fù)相關(guān)，與沉積物TP正相關(guān)。堿性磷酸酶與水深顯著負(fù)相關(guān);蔗糖酶與表層水體pH值、DO顯著負(fù)相關(guān);脲酶與沉積物TP顯著正相關(guān)，與沉積物氧化還原電位顯著負(fù)相關(guān)。

采用多元線性回歸模型進(jìn)一步分析影響沉積物酶活性的環(huán)境因子，結(jié)果見表4。脲酶活性主要受沉積物總有機(jī)碳TOC影響;蔗糖酶活性受沉積物總有機(jī)碳TOC、水體pH值pHw和水深H影響，其影響程度表現(xiàn)為pHw>H>TOC;堿性磷酸酶活性受沉積物總有機(jī)碳TOC、水體透明度SD、水體pH值pHw和NH3-N（公式中用ρ（NH3-N）表示）的影響，且其影響程度表現(xiàn)為SD>TOC>pHw>ρ（NH3-N）。各回歸方程可分別解釋脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性變異程度的43.6%、73.4%和88.8%。

2.4 酶活性和環(huán)境因子對(duì)溫室氣體排放通量的影響

由表5可知：東平湖N2O排放通量與表層水體pH值極顯著負(fù)相關(guān)，與DO顯著負(fù)相關(guān)，與表層水體NO-2-N質(zhì)量濃度顯著正相關(guān);CO2排放通量與水深顯著正相關(guān)。N2O、CO2排放通量與沉積物理化性質(zhì)和酶活性均無顯著相關(guān)性。

3 討 論

3.1 東平湖沉積物酶活性影響因素

湖泊沉積物酶活性的空間異質(zhì)性與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平、沉積物的污染程度和沉積環(huán)境有關(guān)，富營(yíng)養(yǎng)化水平高、沉積物污染嚴(yán)重、水動(dòng)力條件差、水體交換能力弱的點(diǎn)位酶活性高[25]。由此分析，東平湖沉積物酶活性在湖區(qū)東部較高與該水域受到湖岸（老湖碼頭）人類活動(dòng)的影響有關(guān)，外源性污染物被沉積物吸附[26]，酶活性增強(qiáng);脲酶和堿性磷酸酶活性在出湖口較高與出湖口水域狹窄且受水閘控制水體流動(dòng)緩慢、水體自凈能力弱有關(guān);大汶河入湖口水動(dòng)力作用強(qiáng)，湖心區(qū)遠(yuǎn)離湖岸，受湖岸帶人類活動(dòng)影響小，水質(zhì)較好，因此沉積物酶活性較低。

脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶均屬于水解酶類，它們通過水解機(jī)制將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為寡聚或單分子物質(zhì)，寡聚和單分子物質(zhì)再被微生物同化，因此沉積物酶活性常與有機(jī)物含量具有顯著正相關(guān)性[27]。本研究中，3種酶活性均與沉積物總有機(jī)碳具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，可表征沉積物中有機(jī)物的累積狀況。堿性磷酸酶能將有機(jī)磷化合物催化分解為無機(jī)磷化合物，并為微生物提供維持其生物活性的磷，從而影響脲酶和蔗糖酶活性[25，27]，本研究中沉積物堿性磷酸酶活性與脲酶、蔗糖酶活性均極顯著正相關(guān)，與黎楊等[27]的研究結(jié)果一致。蔗糖酶可以表征碳循環(huán)，其活性反映碳代謝強(qiáng)度與規(guī)律，而脲酶是氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其活性反映沉積物有機(jī)氮向有效氮的轉(zhuǎn)化能力。本研究中，脲酶活性除與沉積物總有機(jī)碳極顯著正相關(guān)外，還與沉積物TP顯著正相關(guān)，與沉積物氧化還原電位顯著負(fù)相關(guān)，表明脲酶可在一定程度上表征沉積物質(zhì)量。同時(shí)，3種酶活性還與表層水體pH值、透明度、NH3-N相關(guān)，說明酶活性與湖泊水質(zhì)有一定關(guān)系，可作為分析湖泊水質(zhì)的指標(biāo)。

3.2 東平湖水氣界面溫室氣體排放影響因素

與沉積物酶活性的空間分布特征不同，東平湖N2O和CO2排放通量在大汶河入湖口較大，而在出湖口較小。由于大汶河流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)速度快，因此大量污染物質(zhì)（特別是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）經(jīng)大汶河匯入東平湖，對(duì)東平湖水質(zhì)尤其是入湖口水質(zhì)造成較大影響[28]，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入促進(jìn)了水體溫室氣體的產(chǎn)生和排放[29]。

水體N2O主要來源于硝化和反硝化微生物的脫氮反應(yīng)過程，其產(chǎn)生取決于水體N的轉(zhuǎn)化速率及環(huán)境條件[30]，而NO-2-N是硝化和反硝化過程的中間產(chǎn)物，所以東平湖表層水體N2O的排放通量與水體NO-2-N質(zhì)量濃度具有顯著正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，東平湖表層水體DO含量較高，使NO-3-N和NO-2-N還原受阻，水體反硝化作用受到抑制[31]。水體硝化作用反應(yīng)底物NH3-N質(zhì)量濃度較低，N2O排放通量與NH3-N質(zhì)量濃度正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，也說明水體中N2O除了來源于水體硝化作用外，還來源于沉積物的反硝化作用[32]。東平湖N2O排放通量與表層沉積物脲酶活性正相關(guān)，在一定程度上反映了表層沉積物中耦合硝化—反硝化作用的存在。

表層水體pH值直接影響水體CO2的質(zhì)量濃度，并通過影響微生物活性間接影響N2O的產(chǎn)生和排放[1，23]。東平湖湖水偏堿性，游離的CO2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}，由此導(dǎo)致CO2排放通量降低;較高的pH值可抑制微生物的活性，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分解速率減小，N2O產(chǎn)生量因細(xì)菌所需底物供應(yīng)不足而減少，因此CO2和N2O的排放通量均與表層水體pH值負(fù)相關(guān)。N2O和CO2均與水深正相關(guān)，而水深與表層水體pH值負(fù)相關(guān)，與透明度、葉綠素a、溶解性有機(jī)碳均顯著負(fù)相關(guān)，與NO-3-N極顯著正相關(guān)，因此水深可間接反映表層水體的理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體排放的影響。

東平湖水氣界面溫室氣體排放通量與沉積物酶活性無顯著相關(guān)性，可能原因是，沉積物酶活性對(duì)沉積物中溫室氣體產(chǎn)生和排放的影響大于其對(duì)表層水體中溫室氣體的影響，同時(shí)研究測(cè)定的酶種類較少，缺少對(duì)影響沉積物中氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶如硝酸還原酶、亞硝酸還原酶的分析，需在今后的研究中補(bǔ)充完善。另外，不同酶的活性具有較為顯著的時(shí)空變異性[2]，本研究?jī)H分析了沉積物酶活性的空間分布特征，今后還需要進(jìn)一步對(duì)酶活性的季節(jié)性變化進(jìn)行分析，并結(jié)合微生物的組成和溫度等因素深入研究酶活性變化的關(guān)鍵影響因子及其對(duì)溫室氣體產(chǎn)生和排放的影響。

4 結(jié) 語

東平湖沉積物酶活性空間變異大，均表現(xiàn)為湖區(qū)東部（老湖碼頭附近）酶活性較高，而大汶河入湖口和湖心區(qū)酶活性較低，反映了湖岸區(qū)人類活動(dòng)和水動(dòng)力條件對(duì)沉積物酶活性的影響;N2O和CO2排放通量表現(xiàn)為大汶河入湖口較大，而出湖口較小，反映了大汶河營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入對(duì)東平湖溫室氣體排放的影響。沉積物總有機(jī)碳是影響東平湖沉積物酶活性的主要因子之一，此外蔗糖酶活性還受表層水體pH值和水深的影響，堿性磷酸酶還受到透明度、水體pH值和NH3-N的影響;酶活性與影響因子的回歸方程可分別解釋脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性變異程度的43.6%、73.4%和88.8%。東平湖N2O和CO2排放通量主要受表層水體理化性質(zhì)的影響，N2O排放通量的主要影響因子為表層水體無機(jī)氮濃度、pH值和DO，而CO2排放通量主要受水深的影響。

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