多種評估方法在土壤環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

李曙芬

上海洹屏環(huán)保科技有限公司寧夏分公司 寧夏 銀川 750001

1 樣品采集與處理

選用某地工業(yè)區(qū)周邊田地為研究背景，采樣深度為20cm，依照不同類別﹑不同利用現(xiàn)狀，將試驗地分為若干單元，樣地內(nèi)部采用五點取樣法，同單元中土樣充分?jǐn)嚢瑭p混合。取來的土樣要盡快開展試驗，若有貯存需要還應(yīng)做好區(qū)分探究，用于微生物群落結(jié)構(gòu)分析的組別，貯存環(huán)境為零下20℃，以便后期開展DNA提取操作；用于理化性質(zhì)及毒理試驗的組別，存儲溫度應(yīng)當(dāng)控制在4℃左右；用于土壤酶活性檢測的組別，樣本可采用風(fēng)干處理方式。

2 地球化學(xué)評價法

在地球化學(xué)評價方法中，測定指標(biāo)的確立主要參照了DZ/T 2095-2016的相關(guān)規(guī)定，整體可分為土壤養(yǎng)分﹑土壤環(huán)境指標(biāo)兩大類，涵蓋了N﹑P﹑有機質(zhì)，Cd﹑Cr等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及土壤pH等，綜合使用了X射線熒光光譜法﹑玻璃電極法﹑GC-MS法等，同時結(jié)合實況劃分出5個指標(biāo)等級，設(shè)定了不同的標(biāo)準(zhǔn)限值，整個試驗地分為5個不同單元，若單個區(qū)塊中出現(xiàn)2個以上數(shù)據(jù)時，取平均值開展等級劃分。結(jié)果顯示，樣本中N含量呈現(xiàn)缺乏等級，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.075%以下；P含量中等，在0.06%至0.08之間；K含量較為豐富，在1.50%至2.50%之間。有機質(zhì)測定中，含量顯示為2.00%以內(nèi)，評價為缺乏狀態(tài)。在土壤環(huán)境質(zhì)量評價中，As﹑Cd等元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，僅少部分樣本中，出現(xiàn)了輕微的Ni超標(biāo)，與試驗地劃分單元對應(yīng)后，面積比重不超過10%，污染程度較輕，pH測定中，不同單元區(qū)塊的樣本差異較大，整體在4至6之間，水塘底泥部分樣品相對較高，在7.54左右。綜合來看，該地土壤理化性質(zhì)總體較好，但養(yǎng)分匱乏的狀況較為突出，需要采用深耕措施，結(jié)合施用N肥﹑有機肥料等，同時關(guān)注土壤pH偏低的問題，可以適當(dāng)使用熏制火糞﹑覆蓋栽培[1]等方式，緩解土壤酸化問題，提升農(nóng)業(yè)利用率。

3 土壤酶活性評價法

3.1 測定方法

土壤酶是土壤結(jié)構(gòu)中較為活躍的成分，植物根系﹑微生物等均是其重要來源，其測定值可以較為直觀地反映土壤肥力﹑環(huán)境質(zhì)量等，由于土壤酶賦存狀況較為復(fù)雜，同時與礦物膠體等連接緊密，因此單一的提取難度較大，通常需要借助活性測定來反饋﹑推測具體含量，測定環(huán)節(jié)需要借助一定量的底物，經(jīng)過酶促反應(yīng)之后，計算剩余量進而間接得出結(jié)果。

當(dāng)前有關(guān)土壤酶活性的測定方法較多，首先是分光比色法，主要借助了顏色反應(yīng)原理，酶與底物接觸后，會生成特定種類的有色物質(zhì)，用分光光度計檢測時，可以觀察到特征性的吸收峰，進而為酶活性判別提供依據(jù)[2]。實踐環(huán)節(jié)需要結(jié)合土壤中酶的種類，選擇可用的底物，以此得出標(biāo)準(zhǔn)曲線，接著經(jīng)過培養(yǎng)﹑離心等操作后，在同波長條件下，對吸光值進行準(zhǔn)確測定，該方式起源較早﹑應(yīng)用廣泛，但操作步驟煩瑣，檢測周期較長。其次是熒光分析法，它起源于20世紀(jì)90年代，主要以熒光團標(biāo)記底物為工具，應(yīng)用思路與傳統(tǒng)比色法類似，主要通過熒光強度變化得出判別結(jié)論，但其靈敏度﹑選擇性要相對更好，耗時也有所壓縮。最后是同位素標(biāo)記法﹑滴定法等，由于操作復(fù)雜﹑精準(zhǔn)度有限等原因，并未得到普遍應(yīng)用。

3.2 條件控制

影響酶活性測定速率﹑精準(zhǔn)性的因素較多，實踐時必須加以關(guān)注和控制。首先是底物類型，可選的有顯色類﹑熒光族類兩種，前者以硝基酚類衍生物為主，后者則可選熒光素﹑香豆素等，要結(jié)合試驗方案進行分析；其次是pH，由于土壤酶種類較多，氮酶﹑磷酸酶﹑蔗糖酶[3]等適宜的pH環(huán)境各不相同，因此要結(jié)合實際測定對象進行分析，盡可能與土壤原本pH相近；最后是溫度因素，它的主要決定酶促反應(yīng)速率，在一定區(qū)間內(nèi)，土壤酶催化作用與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，直至酶失活這種上升趨勢才會停止，不同酶之間對最佳溫度的需求是存在較大差異的，最佳溫度把控會較為困難，因此目前主要以37℃﹑25℃為設(shè)定值，可以較好地兼顧不同酶特性。

3.3 結(jié)果討論

本次試驗采用熒光分析法，測試對象為過氧化氫酶﹑脲酶，以及磷酸酶﹑呼吸強度，結(jié)果顯示不同樣本中酶含量是存在較大差異的，其中水稻田土的酶活性普遍較低，脲酶活性僅為9.23U，磷酸酶活性為71.69U，同等條件下菜地土樣本酶活性分別可達39.28U﹑187.42U，過氧化氫酶活性﹑土壤呼吸強度測定值更是相差幾十倍。分析后認(rèn)為，出現(xiàn)這種狀況的原因可能是，菜地土壤性質(zhì)較好，水肥供應(yīng)均相對平穩(wěn)，微生物活性有所保障，酶活性也相對更高。而水稻田中，由于生長需要時常會經(jīng)歷間歇性淹水，微生物生存空間不穩(wěn)定，酶活性在一定程度上受到制約，同時由于周邊為工業(yè)用地，污染物存在遷移﹑擴散的可能，經(jīng)水?dāng)U散的路徑要更為便捷﹑快速，因此耗水量較高的水稻田中，污染物含量也相對較高，容易導(dǎo)致酶活性的降低。

4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析法

4.1 測定方法

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，微生物群落有著不可或缺的重要地位，合理﹑優(yōu)質(zhì)的微生物群落結(jié)構(gòu)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，同時促進植物養(yǎng)分的吸收，因此在進行土壤環(huán)境質(zhì)量評價時，有必要將之作為重點研究對象。當(dāng)前對于微生物群落結(jié)構(gòu)的分析主要有兩種思路，內(nèi)容如下。

4.1.1 生化研究方法。依據(jù)試驗材料的不同，生化研究方法又可被細(xì)分為3種。首先是平板技術(shù)，操作時需要借助平板結(jié)構(gòu)對土樣中微生物細(xì)胞進行分離﹑培養(yǎng)操作，然后根據(jù)菌落形態(tài)﹑數(shù)量等，進一步推測微生物群落結(jié)構(gòu)，這種方法速度較快，但對真實狀況的反映不足，與實際微生物量相比，培養(yǎng)量微乎其微，準(zhǔn)確度很難保障，因此已經(jīng)逐漸被淘汰﹑棄用。其次是底物利用分析法，Biolog就是其中較具代表性的技術(shù)類別，可以再現(xiàn)群落代謝特征，操作簡便，自動化特征顯著，但使用范圍相對受限，在生長速度較快的微生物群落中表現(xiàn)出較高的適用性。最后是生物標(biāo)記法，主要借助了PLFA等物質(zhì)，該物質(zhì)對細(xì)胞活性反應(yīng)較為敏感，在活細(xì)胞中，性質(zhì)﹑含量會相對穩(wěn)定，但在死細(xì)胞中，會快速分解﹑消散。將之應(yīng)用于土壤微生物群落測定，可以較為直觀地展現(xiàn)相關(guān)信息，也不會受到質(zhì)粒損失的干擾，與GC-MS技術(shù)相結(jié)合，效率﹑準(zhǔn)確度更高。

4.1.2 分子生物學(xué)研究方法。分子生物學(xué)研究方向主要從微觀視角出發(fā)展開測定，核酸雜交技術(shù)就是其中具有代表性的一員，實踐時采用核酸探針開展操作，使其與樣本核酸序列發(fā)生異性互補，并對雜交信號進行熒光標(biāo)記，該種方式克服了同位素標(biāo)記操作難度大的弊端，靈敏度高且使用簡便。其次還有DNA成分多態(tài)性圖譜分析法，DGGE應(yīng)用相對廣泛，主要利用了DNA片段解鏈行為的相關(guān)特征，可以在較為理想的狀況下，促進同等尺寸片段的分離。TGGE方法則建立在溫度梯度變性原理的基礎(chǔ)上，分析對象為核苷酸片段，操作時需要經(jīng)過核酸提取﹑指紋圖譜分析等步驟。除上述方法外，DNA長度多態(tài)性圖譜分析﹑高通量測序技術(shù)也是較為新穎﹑可行的技術(shù)手段，在進行土壤環(huán)境質(zhì)量評估時要合理選用。

4.2 shannon指數(shù)分析

本次評估應(yīng)用PCR-DGGE技術(shù)，以對照組為基準(zhǔn)展開分析，結(jié)果表明各樣本在細(xì)菌微生物種群構(gòu)成上，是存在較大差異的，優(yōu)勢菌群條帶差異尤為明顯。為方便量化分析，引入了shannon指數(shù)，它可以客觀描述群落規(guī)模﹑多樣性等，土壤中微生物種類越多﹑分布越均勻，該指數(shù)就越大。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)受污染區(qū)域的微生物測定中，指數(shù)是大于對照土壤的，這可能是因為重金屬等污染物作用下，促進了微生物的生長﹑富集。在優(yōu)勢條帶位置﹑數(shù)量等的分析上，發(fā)現(xiàn)污染組和對照組也出現(xiàn)了較大差異，這說明污染物對微生物群落結(jié)構(gòu)是存在一定影響的，可能導(dǎo)致土壤功能的變化。總體來看，幾乎各樣本生物多樣性指數(shù)都出現(xiàn)了上升，但上升狀況卻有著細(xì)微不同，其中菜地土樣的增幅最大。

5 生態(tài)毒理學(xué)評價法

5.1 診斷方法

5.1.1 生態(tài)毒理診斷方法。植物法是土壤生態(tài)毒理學(xué)診斷中較為常見的技術(shù)方案，通過植物根系等部位的生長情況，可以間接推斷出土壤污染情況，為其環(huán)境生態(tài)評價提供依據(jù)，對于高等植物來說，種子發(fā)芽﹑根伸長抑制試驗等發(fā)展相對成熟，操作也相對簡便，使用時需要重點關(guān)注發(fā)芽率﹑根伸長等指標(biāo)參數(shù)。當(dāng)前伴隨研究進展的深化，植物法還在進一步完善，可以為污染物積累﹑遷移甚至轉(zhuǎn)化規(guī)律的摸索提供依據(jù)，不過，其在實踐環(huán)節(jié)也存在一定的局限性，主要是因為干擾植物生長的因素較多，研究周期也相對較長，并不適用于快速檢測場景。其次是動物法，主要借助了無脊椎動物特性，如蚯蚓，這類動物廣泛分布于土層之中，與土壤聯(lián)系緊密，同時對污染物也有較為敏感的反應(yīng)，因此可以采用野外收集﹑實驗室毒性測定的思路，對土壤展開生態(tài)毒理學(xué)評價，也可以實驗室飼養(yǎng)﹑暴露測定，靈活性較高，但整體上看試驗成本較高﹑測定準(zhǔn)確度低等因素還是制約了其推廣使用進程。很多研究中，也將土壤原生動物作為生態(tài)毒理診斷的研究對象，主要涵蓋了纖毛蟲﹑鞭毛蟲等，它們體積細(xì)小，結(jié)構(gòu)十分簡單，繁殖速度也較為可觀，通過數(shù)量﹑分子水平等的變化監(jiān)測，可以較為方便地獲知土壤情況。除此以外，前述土壤酶活性測定﹑呼吸強度測定等，也可作為生態(tài)毒理診斷策略。

5.1.2 生態(tài)毒理學(xué)分子診斷方法。傳統(tǒng)生物檢測技術(shù)發(fā)展時間較長，體系理論相對成熟，但其中也存在一定弊端，用動物﹑植物作為測定工具，毒性效應(yīng)往往只能反饋在單個個體﹑種群中，普適性﹑外推性較差，因此在舊有體系的基礎(chǔ)上，分子診斷方法應(yīng)運而生。該種方式主要采用生物標(biāo)記思路，使用轉(zhuǎn)化酶類﹑抗氧防御類等物質(zhì)進行標(biāo)記操作，可以較為直觀地反映土壤毒性在生物體內(nèi)的積蓄﹑富集過程，代謝產(chǎn)物類物質(zhì)的利用，還可以解釋毒性動力學(xué)﹑遺傳變異學(xué)相關(guān)規(guī)律，從而為土壤污染﹑整治研究提供依據(jù)。

5.2 結(jié)果討論

本文主要采用植物法開展生態(tài)毒理評價，使用材料為小麥﹑青菜種子，以一定深度將種子埋在盛裝有樣本土的試驗器皿中，控制水分﹑溫度條件，并以固定周期觀察種子發(fā)芽情況及根伸長情況。在采集的土壤樣本中，總體發(fā)芽率是較為可觀的，可以達到95%以上，差異性并不顯著，這也印證了前述地球化學(xué)評價中，當(dāng)?shù)匚廴据p微的結(jié)論，說明該污染狀況并不會對種植發(fā)芽造成太惡劣的影響，不過，部分樣本中還是出現(xiàn)了發(fā)芽遲緩的情況。在根伸長試驗中，發(fā)現(xiàn)不同單元的根伸長情況差異不大，這可能說明利用方式對土壤生態(tài)毒理并不會造成太大影響，但是pH不同的樣本中，根伸長長度出現(xiàn)了較大變化，對于4.5±0.3pH區(qū)間內(nèi)的樣本土來說，根伸長態(tài)勢較高，而pH過高﹑過低的土壤中，根伸長明顯受到了抑制。

6 結(jié)束語

經(jīng)過本次測定，發(fā)現(xiàn)試驗地污染狀況較為輕微，但存在嚴(yán)重的肥力不足﹑土壤酸化情況，不同耕種﹑利用方式也對土壤酶活性產(chǎn)生了較大影響，同時，土壤樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)表明，土壤污染對于部分微生物有促進生長的作用，這與設(shè)想存在較大差別。生態(tài)毒理學(xué)試驗中，表明當(dāng)?shù)匚廴厩闆r并未對植物發(fā)芽造成太大影響，但會制約根伸長情況?？傮w來看，多種評估方式側(cè)重點各有不同，但結(jié)論出入不大，實踐時要結(jié)合實際，比較﹑綜合選用，最大限度提升土壤環(huán)境質(zhì)量評價的科學(xué)性和精準(zhǔn)性。