生物质炭对重金属污染土壤酶活性的影响

何元友 全桂香

（盐城工学院环境科学与工程学院，江苏 盐城224051）

随着我国经济的快速发展，土壤重金属污染日益严重。生物质炭作为土壤改良剂，因其多孔的结构，能够降低土壤容重，减小土壤紧实度，从而有利于对土壤营养释放。近年来，有研究表明：生物质炭可以改善土壤重金属污染的形态和迁移行为，降低铅、镉、铜等重金属的移动性，吸收农药残留，并调节土壤中微量元素的含量[1]。土壤酶能够反映土壤污染状况，是研究土壤环境的重要指标。本研究旨在探讨生物质炭对重金属污染土壤酶活性的影响，从而为利用生物质炭改良重金属污染土壤提供一定的依据。

1 研究区域概况

盐城系江苏省管辖地级市，辖区总面积16900km2。以苏北灌溉总渠为界，其北属于北亚热带气候，其南属于南暖温带气候。气候受海洋的影响较大，季风气候明显。作为沿海城市，盐城工业相对发达，同时也面临着较为严峻的重金属污染，尤其是造纸、化工等企业重金属污染十分严重，破坏了当地生态环境，急需采取有效的重金属污染治理措施。

2 研究设计

2.1 试剂与仪器设备

2.1.1 主要试剂

氢氧化钾、二氧化硅、盐酸、氢氧化钠、苯酚、柠檬酸、甲醇、乙醇、丙酮、次氯酸钠、甲苯、尿素、硫酸铵、3,5- 二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、蔗糖、葡萄糖、TTC、低亚硫酸钠（保险粉）、甲醇、硼砂、铁氰化钾等。所有试剂均为分析纯。

2.1.2 主要仪器设备

ZHP-2102L 双层恒温振荡培养箱、HH-8 数显恒温水浴锅（常州普天仪器制造有限公司）、SPJ-300 生化培养箱（上海梅香仪器有限公司）、紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）。

2.2 实验方法

2.2.1 样品采集

在盐城某重金属污染区域取3m×1m×1m 剖面坑，0m、0.2m、0.4m、0.6m、0.8m 处取土样500g，放入样品袋，贴上标签。

2.2.2 处理方法

土样研磨后，以添加0 t·hm-2生物质炭为对照，以添加20 t·hm-2、40 t·hm-2、80 t·hm-2生物质炭为处理1（C1）、处理2（C2）和处理3（C3），各处理均设置3 个重复。

2.2.3 土壤理化性质分析

土壤含水率采用烘干法，有机质采用重络酸钾容量法- 稀释热法，总氮采用半微量开氏法，总磷采用NaOH 熔融- 钼锑抗比色法。

2.3 测定方法

2.3.1 脲酶测定方法

称取鲜土0.5g，1mL 甲苯，15min 后加入20mL pH 为6.7 的柠檬酸盐缓冲液和10mL 10%的尿素溶液，摇匀后37℃下培养24h，过滤后取3mL 滤液定容至50mL 比色管，578nm 下比色。

2.3.2 蔗糖酶测定方法

称取0.5g 鲜土，15mL 8%蔗糖溶液，5mL pH=5.5 磷酸缓冲液和5 滴甲苯，37℃培养24h，过后过滤后取1mL 滤液加3mL 3,5- 二硝基水杨酸,并在沸腾的水浴锅中加热5min，随即将容量瓶移至自来水流下冷却3min，溶液因生成3- 氨基-5- 硝基水杨酸而呈橙黄色，最后用去离子水稀释至50mL，508nm 下比色。

2.3.3 碱性磷酸酶测定方法

称取鲜土1g，5 滴甲苯，20mL 0.5%磷酸苯二钠，充分振荡后37℃培养2h，过滤后取1mL 滤液于50mL 比色管，分别加20mL去离子水，再加入0.25mL pH=9.0 硼酸盐缓冲液，0.5mL 4- 氨基安替吡啉液，0.5mL 铁氰化钾，最后定容，于578nm 下比色。

2.3.4 脱氢酶测定方法

称取鲜土5g，2mL1%TTC 溶液，2mL 蒸馏水，充分混匀，37℃下避光培养6h，之后加5mL 甲醇，剧烈振荡1min，静置5min，再振荡20s，静置5min，后群补过滤到比色管，并用少了甲醇洗涤三角瓶2-3 次，洗涤液也过滤到比色管，定容至25mL，485nm 下比色测定。以每g 干土生成的TPF 为脱氢酶的一个活性单位。

2.4 数据处理分析方法

录入到SPSS 23.0，采用双因素方差分析进行处理。α 取0.05。

3 结果与讨论

3.1 生物质炭施加量对重金属污染土壤脲酶活性的影响

对照、处理C1、C2 活性均随土壤剖面深度的增加呈先升高后降低的趋势，处理C3 活性则呈先下降再升高趋势（见图1）。方差分析表明：生物质炭能够增加重金属污染土壤脲酶活性（本研究以处理C1 最优）；重金属污染土壤脲酶活性随土壤深度下降而降低；生物质炭添加量能够拮抗土壤深度对重金属污染土壤脲酶活性的抑制作用（P＜0.05）。张莉[2]等认为：生物质炭为脲酶酶促反应提供了基质，因此添加生物质炭能够提高土壤脲酶活性。

图1 生物质炭对重金属污染土壤脲酶活性的影响

3.2 生物质炭对重金属污染土壤蔗糖酶活性的影响

处理C0 在各土壤剖面酶活性最高。处理C2 和C3 活性随取土深度下降而不断上升。处理C1 活性则随取土深度下降先降低后上升（见图2）。方差分析表明：生物质炭会抑制重金属污染土壤蔗糖酶活性（本研究以处理C2 抑制效果最明显）；重金属污染土壤蔗糖酶活性随土壤深度下降而增加；土壤深度能拮抗生物质炭对重金属污染土壤蔗糖酶活性的抑制作用（P＜0.05）。本研究与现有研究结果[3]相反，可能与生物质炭添加量超过最优范围有关。

图2 生物质炭对重金属污染土壤蔗糖酶活性的影响

3.3 生物质炭对重金属污染土壤磷酸酶活性的影响

处理C0 活性随土壤剖面深度下降而下降。处理C1 活性随土壤剖面深度下降先下降再略有升高。处理C2 和处理C3 则随土壤剖面深度下降先升高再下降（见图3）。方差分析结果表明：添加生物质炭能够提高重金属污染土壤磷酸酶活性（本研究以处理C1 最优）（P＜0.05）；土壤深度下降对重金属污染土壤磷酸酶活性影响不明显（P＞0.05）。侯建伟[4]等人也表明生物质炭可增加土壤磷酸酶活性。

图3 生物质炭对重金属污染土壤磷酸酶活性的影响

3.4 生物质炭对重金属污染土壤脱氢酶活性的影响

处理C1 活性随土壤剖面深度变化下降再上升。处理C2 活性则随土壤剖面深度变化快速上升后保持相对稳定。处理C3活性随土壤剖面深度变化出现较大变化（见图4）。双因素方程分析结果表明：添加生物质炭能够提高重金属污染土壤脱氢酶活性（本研究以C3 处理最优）；重金属污染土壤脱氢酶活性随土壤深度下降而提高（P＜0.05）。韩召强[5]等认为添加生物质炭增加了土壤有机质，改善了土壤团粒结构和透气透水性，从而为脱氢酶提供了更适宜的场所。同时，过量的生物质炭会抑制土壤脱氢酶活性。

图4 生物质炭对重金属污染土壤脱氢酶活性的影响

4 结论

经过本研究，得出如下结论：添加生物质炭能够提高重金属污染土壤脲酶、磷酸酶和脱氢酶活性，抑制蔗糖酶活性。本研究中，处理1（20 t·hm-2）对脲酶活性和磷酸酶活性的提升效应最明显，处理3（80 t·hm-2）对脱氢酶活性的提升效应最明显，处理2（40 t·hm-2）对蔗糖酶活性的抑制效应最明显。同时，不同土壤深度酶活性存在差异，随着土壤深度下降，脲酶活性有所下降，蔗糖酶和脱氢酶活性有所升高，磷酸酶活性随土壤深度下降变化不明显。