Cd、Pb单一及复合污染下土壤酶生态抑制效应及生态修复基准研究

由于土壤酶活性可有效地反映土壤重金属的污染程度,因此,本文通过研究Cd、Pb单一及复合污染对土壤酶（脱氢酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、淀粉酶和蔗糖酶）活性的影响,以期选取合适的土壤酶指标作为Cd、Pb污染的生物标记物,为建立Cd、Pb污染生态修复的基准提供科学依据。研究结果表明,不同的土壤酶活性对Cd、Pb的敏感性各不相同,并且酶活性随土壤重金属浓度增加表现为叠加效应或拮抗效应。Cd、Pb单一及复合污染对脲酶活性抑制作用显著,Cd、Pb复合污染对脲酶活性表现为叠加效应,因此,脲酶可作为土壤Cd、Pb污染的生物标记物。通过半数生态剂量模型研究发现：Cd、Pb污染下,50%脲酶活性受抑制的毒性阈值分别为2273和2703;Cd污染土壤的生态修复基准值为1.33mg·kg-1,Pb污染土壤的生态修复基准值为106mg·kg-1。     

采煤沉陷复垦区重金属污染与土壤酶活性的关系

以淮南新庄孜矿采煤沉陷复垦区为研究区域,对脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶、纤维素酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶7种土壤酶进行了测试分析。结果发现,该区域土壤酶活性受到不同程度的抑制,且7种土壤酶对重金属的敏感性不一致。采用因子分析技术提取主成分,建立了复合污染土壤总体酶活性评价指标,评价了该地区土壤重金属污染程度,并与通过灰色聚类法分析得到的土壤重金属污染等级进行了比对分析,研究了采煤沉陷区土壤酶活性与重金属污染之间的赋存关系,进一步证明在采煤沉陷复垦区这一特殊土地利用条件下,采用土壤酶活性综合指标评价土壤重金属污染是可行的。研究表明,土壤酶总体活性评价指标作为一种简单易行的评价手段,为新庄孜采煤沉陷复垦区及相似矿区复垦地的重金属污染修复提供参考和理论依据。     

不同退耕还林模式对土壤生物学性质的影响效果评价

在测定土壤微生物、土壤酶活性基础上,应用主成分因子分析法建立了不同退耕还林模式下的土壤生物学性质评价体系。结果表明,土壤放线菌、真菌数量与转化酶、脲酶、纤维素酶、过氧化氢酶活性之间的相关性达到了极显著或显著水平优势微生物中的微球菌与转化酶,芽孢杆菌与纤维素酶,木霉和游动放线菌与过氧化氢酶,酵母菌与脲酶呈显著正相关关系放线菌、真菌及其微生物优势类群多样性指标在评价土壤生物学肥力质量时具有十分重要的作用4种土壤酶活性是土壤生物学肥力质量评价的重要指标而细菌、酵母等生物量较小的微生物对土壤生态肥力评价的贡献较小。用土壤综合肥力指标值(IFI)进一步评价各样地的土壤生物学肥力质量的顺序依次为:苦竹林表层>桦木林表层>农耕地表层>农耕地亚表层>农耕地深层>桦木和苦竹林亚表层>桦木林深层>苦竹林深层。苦竹对退耕地的生态改善效果,如水土保持、水源涵养和土壤生态肥力的增加等方面要优于桦木。     

不同城市功能区绿地土壤重金属分布及其生态风险评价

对山东中部某典型城市9个城市功能区64个绿地土壤样品中的Cu,Zn,Pb,Cd 4种重金属元素含量进行了测定,评价了土壤重金属污染特征及其生态风险。结果表明:各功能区绿地表层土壤Cu,Zn,Pb和Cd的平均含量均高于当地自然植被土壤背景值,已表现出富集状态,其中Cd平均含量超标严重;工业区、风景名胜区、商业区和居民区等绿地土壤污染程度居前;单因子污染评价表明,该市绿地土壤中Cu,Zn和Pb已处于潜在污染状态,而Cd已经处于重污染状态;综合污染评价研究表明,处于“中度污染”污染级别的绿地类型有工业绿地、商业区绿地、风景名胜区和居住区绿地,而且苗木生产区和道路绿地也接近“中度污染”级别;潜在生态危害评价表明,该市绿地土壤处于轻微生态风险,但Cd潜在生态危害指数已经处于中等生态风险;土壤中Cu-Zn,Cu-Cd,Pb-Cd显著相关,Cu-Pb,Zn-Cd极显著相关,重金属之间存在一定复合污染现象,表明这些重金属元素的来源可能相同。该市绿地土壤Cd污染的防治应该引起重视。     

山东棕壤重金属污染土壤酶活性的预警研究

本文研究了重金属Cu2+、Cr3+、Pb2+污染对山东棕壤土壤过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性的效应;提出了山东棕壤重金属Cu2+、Cr3+、Pb2+污染,土壤酶的预警指标和预警阈值。结果表明,在本试验条件下,Cu2+污染可以过氧化氢酶为预警指标,由相应的回归方程计算出国家土壤环境质量标准Cu2+的临界浓度的预警阈值:一级土壤为9.36%,二级土壤为11.57%;Cr3+污染可以脲酶为预警指标,其预警阈值:一级土壤为11.94%,二级土壤为15.12%;Pb2+污染可以蔗糖酶为预警指标,其预警阈值:一级土壤为1.50%,二级土壤为3.42%。     

草甘膦的土壤酶效应研究

为了探讨当今世界使用量最大的除草剂——草甘膦的土壤环境效应,本文采用室内模拟方法,较为系统地研究了我国4类土壤：褐土、黄绵土、风沙土和红壤,共11个土样中4种主要酶类（脲酶、转化酶、磷酸酶以及脱氢酶）活性与草甘膦间的关系,计算并得到了能够表征土壤轻度污染的生态剂量值ED10。结果表明：非缓冲液法较好地反映了土壤酶的实际情况;草甘膦总体上激活土壤脲酶、转化酶和脱氢酶活性,最大增幅分别为190％、1372％和42％;抑制磷酸酶活性,最大幅度为35％;磷酸酶与草甘膦间为完．全抑制作用机理;激活脱氢酶活性揭示出草甘膦导致了土壤中微生物活性增强,从侧面反映出草甘膦是一种毒性较低的农药。计算获得4类供试土壤褐土、黄绵土、风沙土和红壤ED10值分别为168．3、438．5、35．1和141．4mg·kg^-1;在一定程度上用土壤酶活性比生物来表征土壤污染程度更敏感。土壤性质对草甘膦的毒性有重要影响。     

植被恢复模式对土壤重金属质量分数和土壤酶活性的影响——以山东省淄博市四宝山破坏山体为例

矿产资源开采造成了严重的重金属污染,为选择合理植被恢复模式以修复土壤重金属污染,以淄博市四宝山破坏山体不同植被恢复模式为对象,测定土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾质量分数,pH值等主要化学性质,土壤多酚氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、脲酶活性和Cu、Zn、Cd等7种重金属质量分数,分析不同植被恢复模式对土壤重金属质量分数及土壤酶活性的影响.结果表明:1)实验区土壤中重金属Zn轻度污染,Cu和Cd重度污染,其他重金属均不构成污染;2)各人工植被恢复模式土壤重金属质量分数均低于灌草丛的,其中黑松林对土壤Cu、Cd的修复效果最好,侧柏林对土壤Zn的修复效果最好;3)土壤重金属全量在垂直分布上规律复杂,有效量均表现为下层高于上层,土壤有效Cu、有效Zn、有效Cd下层比上层依次高9.24％～18.94％、0.97％～20.09％和5.48％～35.51％;4)在影响土壤酶活性的各种因素中,破坏山体土壤重金属有效量与土壤化学性质的影响最为明显,处于同等重要的地位.本研究发现,Cu、Zn、Cd均对4种土壤酶活性表现出了抑制作用,建议用土壤多酚氧化酶、过氧化氢酶、脲酶活性作为破坏山体土壤重金属Cu污染的评价指标.     

城市土壤环境问题及其研究进展

城市土壤是保护城市环境的一个重要生态屏障,城市土壤的退化过程实质上是其"自我牺牲"地发挥生态服务功能从而导致自身质量下降的过程,因此其自身常常存在各种各样的环境问题。除了压实等物理退化过程之外,多种与人为活动有关的元素的富集、不同程度的重金属和有机污染是城市土壤环境问题最主要的方面。城市土壤重金属污染的主要特点是污染的出现没有明显的空间连续性,污染元素以Cu、Zn、Pb和Hg等元素为主,而其他重金属富集程度相对比较低。在城市发展过程中,重金属污染不只是现代过程,根据城市发展的历史,经常会出现历史污染。城市土壤常含有相对富集的多环芳烃,环数在2~6之间,并以2~4环PAHs为主,说明其具有很强的燃烧来源背景。迄今为止,城市土壤污染研究主要集中于三个方面:对于城市土壤污染物来源、现状及扩散方式的认识;污染对生态环境和健康的影响和风险评价;城市土壤的良性利用和管理调控手段。退化的城市土壤对水、气环境和生物活动以及人体健康都存在显著的影响,不同的城市功能区土壤在环境质量上有明显的区别。目前对于城市土壤污染的环境容量和临界阈值、污染物质迁移、传播动力学、水土气生交互影响、污染的生物效应等方面有待于更深入和全面的研究,这对建立科学的城市土壤污染风险评估体系、控制城市土壤污染、实现城市土壤的良性管理都具有重要的意义。     

基于可拓物元法的土壤重金属污染程度评价——以郑州黄河滩地为例

土壤重金属污染程度具有不确定性,本文尝试将可拓学中的物元法引入土壤重金属污染评价中,构建了土壤环境质量评价的物元模型.以郑州黄河滩地为研究对象,进行了土壤采样和测试,并选用Cd、Hg、As、Cu、Pb和Cr共6项作为土壤重金属污染评价指标.结果表明:黄河滩区土壤污染等级处于清洁和污染之间,污染度较低.该评价方法可以科学、有效地处理监测数据,评价结果较为可信;能较科学地判定土壤重金属污染等级,并对污染程度加以区分和量化,可以消除评价过程中人为因素的影响,提高评价精度,是进行土壤重金属污染评价的理想方法.     

大棚菜田种植年限对土壤重金属含量及酶活性的影响

为了探讨大棚种植年限对大棚菜田土壤重金属累积、土壤酶活性的影响以及二者的关系,采集不同种植年限(0、5、10、15、20、25、30 a)大棚菜田土壤样品共140份,测定土壤样品中重金属的含量以及土壤酶活性。结果表明:大棚菜田土壤中重金属Zn、Pb、Cu的含量和种植年限极显著相关;重金属Cd、Ni、Mn的含量和种植年限显著相关;重金属Cr的含量和种植年限不相关。大棚菜田土壤中过氧化物酶、多酚氧化酶、淀粉酶活性和种植年限极显著相关,磷酸酶、蔗糖酶活性和种植年限显著相关,过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶活性和种植年限相关性不显著。随着种植年限的延长重金属Zn、Cu含量对多酚氧化酶、过氧化物酶活性有抑制作用,其敏感性顺序为:过氧化物酶对Zn敏感性>多酚氧化酶对Zn敏感性>过氧化物酶对Cu敏感性>多酚氧化酶对Cu敏感性。土壤中过氧化物酶、多酚氧化酶可以作为重金属Zn污染的指示酶,过氧化物酶可以作为重金属Cu污染的指示酶。该文为设施污染土壤环境质量评价提供依据。     

藏中矿区重金属污染对土壤微生物学特性的影响

土壤微生物对土壤重金属污染反应敏感,是探讨矿区土壤重金属污染生态效应的有效指标之一。通过野外调查与采样和室内分析,研究了藏中矿区重金属污染对土壤蔗糖酶、脲酶、脱氢酶和酸性磷酸酶活性、微生物生物量C（MBC）、N（MBN）和P（MBP）、土壤基础呼吸、代谢商（qCO2）及可矿化N的影响。研究表明,矿区土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd全量和有效含量均高于对照土壤;随着矿区土壤重金属含量增加,土壤酶活性、微生物量C、N和P、可矿化N均逐渐降低,土壤基础呼吸和qCO2则逐渐升高;土壤重金属与土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、脱氢酶活性、酸性磷酸酶活性、MBC、MBN、土壤基础呼吸、qCO2及可矿化N具有显著的线性相关;脱氢酶活性对土壤重金属污染最为敏感,表明脱氢酶活性可作为藏中矿区土壤环境质量变化的有效指标。     

重金属污染对水稻土微生物及酶活性影响研究进展

水稻土受到重金属污染不仅影响水稻的产量品质，而且对水稻土微生物及酶活性的影响不容忽视。本文系统综述了水稻土重金属污染的来源，重金属污染对水稻土微生物生物量、种群数量、群落结构以及土壤酶活性的影响，并针对重金属污染对水稻土微生态效应研究的不足提出了未来应该研究的重点和方向，指出：①加强水稻-重金属-微生物三者相互作用、相互影响方面的研究；②在研究重金属污染与水稻土土壤微生物生态特征的关系的基础上，加强对重金属、土壤理化性状和水稻等因素进行综合并定量化分析，将是明确重金属对土壤微生物生态特性的影响及相关机理的关键；③应用分子生物学方法以及系统生物学方法，促进重金属污染胁迫下水稻土微生物活性及功能的演变规律及响应适应过程；④加强基于长期定位实验的研究，在较长的时间尺度和较大的空间尺度上认识水稻土生态系统在重金属胁迫下的演变规律和机制；⑤重金属污染对水稻土酶活性的研究应重点从机理方面入手，注重结合土壤酶的动力学参数和热力学参数，深化土壤酶与复合污染的作用机理，进一步揭示复合污染致毒途径及其机理，同时借助分子手段，探索重金属污染水稻土中更多未发现的酶的特性，寻找更加敏感、更能普遍推广的重金属污染土壤的综合性指标，以期为重金属污染水稻土的风险评价和生物修复提供科学依据。     

盐碱地土壤酶活性研究进展和展望

盐碱地是农业生产重要的后备土地资源,同时土壤盐渍化是灌溉农业生产过程中首要考虑的问题之一。近年来,越来越多的研究开始关注盐碱地改良利用过程中包括土壤生物学性质在内的土壤整体环境质量的改善。其中,土壤酶是土壤生物活动的产物,其活性水平是土壤环境质量的良好生物学指标,可以用来评价土壤退化程度及管理措施的效果和可持续性。本文总结说明了盐渍化土壤酶活性状况及盐碱胁迫机理,并对盐碱地改良利用过程中土壤酶活性的研究现状进行了综述。最后从存在问题和关注热点出发,提出了下一步的研究重点。     

Influence of heavy metals on the functional diversity of soil microbial communities

Three soil types-Calcaric Phaeozem, Eutric Cambisol and Dystric Lithosol-in large container pots were experimentally contaminated with heavy metals at four different levels (light pollution: 300 ppm Zn, 100 ppm Cu, 50 ppm Ni, 50 ppm V and 3 ppm Cd; medium pollution: twofold concentrations; heavy pollution: threefold concentrations; uncontaminated control). We investigated the prognostic potential of 16 soil microbial properties (microbial biomass, respiration, N-mineralization, 13 soil enzymes involved in cycling of C, N, P and S) with regard to their ability to differentiate the four contamination levels. Microbial biomass and enzyme activities decreased with increasing heavy metal pollution, but the amount of decrease differed among the enzymes. Enzymes involved in the C-cycling were least affected, whereas vartous enzyme activities related to the cycling of N, P and S showed a considerable decrease in activity. In particular, arylsulfatase and phosphatase activities were dramatically affected. Their activity decreased to a level of a few percent of their activities in the corresponding unpolluted controls. The data suggest that aside from the loss of rare biochemical capabilities-such as the growth of organisms at the expense of aromatics (Reber 1992)-heavy metal contaminated soils lose very common biochemical propertities which are necessary for the functioning of the ecosystem. Cluster analysis as well as discriminant analysis underline the similarity of the enzyme activity pattern among the controls and among the polluted soils. The trend toward a significant functional diversity loss becomes obvious already at the lowest pollution level. This implies that concentrations of heavy metals in soils near the current EC limits will most probably lead to a considerable reduction in decomposition and nutrient cycling rates. We conclude that heavy metal pollution severely decreases the functional diversity of the soil microbial community and impairs specific pathways of nutrient cycling.Dedicated to Professor J. C. G. Ottow on the occasion of his 60th birthday     

南方红壤丘陵区土壤侵蚀-沉积作用对土壤酶活性的影响

土壤酶与土壤矿质营养元素循环、能量转移等密切相关。明确土壤酶对土壤侵蚀—沉积作用的响应机制,有助于进一步把握土壤侵蚀在全球碳循环中的作用。通过分析湘中红壤丘陵区松林坡面侵蚀区及沉积区土壤酶活性的变化特征,揭示了酶活性与土壤主要养分因子之间的关系,并在此基础上深入探讨了土壤侵蚀—沉积作用对土壤酶活性的影响。结果表明:沉积区绝大多数土层土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、全氮(total nitrogen,TN)、可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)、脲酶、酸性磷酸酶及过氧化氢酶活性均要显著高于侵蚀区。土壤沉积作用明显提高了土壤养分含量及酶活性。其次,侵蚀区与沉积区土壤养分含量及酶活性差异在侵蚀干扰较为严重的表层(0~30 cm)土壤表现较为明显,随着土壤深度的增加差异逐渐减小。侵蚀区与沉积区SOC、TN、DOC及酶活性均随土壤深度的增加呈现总体下降的趋势。相关性分析表明,土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶之间及其与SOC、TN、DOC之间均存在极显著正相关关系(p0.01)。此外,偏冗余分析结果进一步表明SOC是解释土壤酶活性动态变化的主要因子,其解释量达7.5%,侵蚀诱导SOC在坡面的再分布是影响土壤酶活性的重要途径之一。     

长期重金属胁迫下的土壤微生物特征: 沈阳张士污灌区的案例研究

Soil samples were collected from Zhangshi Wastewater Irrigation Area in the suburb of Shenyang City, China, an area with a 30-year irrigation history with heavy metal-containing wastewater. The chemical properties and microbial characteristics of the soils were examined to evaluate the present situation of heavy metal pollution and to assess the soil microbial characteristics under long-term heavy metal stress. In light of the National Environmental Quality Standards of China, the soil in the test area was heavily polluted by Cd and to a lesser degree by Zn and Cu, even though wastewater irrigation ceased in 1993. Soil metabolic quotient （qCO2） had a significant positive correlation, while soil microbial quotient （qM） had a negative correlation with content of soil heavy metals. Soil microbial biomass carbon （MBC） had significantly negative correlation with Cd, but soil substrate~induced respiration （SIR）, dehydrogenase activity （DHA）, cellulase activity, and culturable microbial populations had no persistent correlations with soil heavy metal content. Soil nutrients, except for phosphorous, showed positive effects on soil microbial characteristics, which to a certain degree obscured the adverse effects of soil heavy metals. Soil Cd contributed more to the soil microbial characteristics, but qM and qCO2 were more sensitive and showed persistent responses to heavy metals stress. It could be concluded that qM and qCO2 can be used as bioindicators of heavy metal pollution in soils.     

Cr^3＋对土壤脲酶活性特征的影响

采用模拟方法对Cr^3＋的土壤脲酶效应进行了研究,结果表明,土壤pH对Cr^3＋的生态毒性有重要影响;酸性土壤脲酶受到显著抑制,活性及动力学特征参数与Cr^3＋浓度间达显著或极显著负相关,而且模型U=β0（/β1×C＋1）揭示其间机理为完全抑制,动力学则进一步细化为非竞争性抑制;获得土壤轻微和中度污染时的生态剂量ED10和ED50分别为50.59和865.7 mg.kg^-1;酸性土壤中脲酶活性、Vmax、k可作为土壤Cr^3＋污染的监测指标之一,而碱性土壤则反应不敏感,其随铬浓度增加,脲酶活性及动力学参数呈先增加后降低的规律性变化,总体变幅较小;两类土壤的差别可能主要是由于土壤环境引起了不同价态铬转变的缘故。     

三江平原岗地白浆土水解酶活性和动力学特性对不同连作农作物的响应

作物种植会对农田生态系统产生一定的影响。大田试验条件下,在黑龙江省853农场岗地白浆土上连续6年种植玉米、大豆、小麦、水稻,研究了土壤理化性质以及土壤中与碳、氮、磷、硫元素转化相关的9种水解酶活性和动力学特性的响应;同时研究了不同作物种植对土壤脲酶、磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、芳基硫酸酯酶及β-葡糖苷酶动力学特性的影响。结果表明,大豆连作土壤的有效氮、总碳、总氮、总磷和总硫含量都稍高;大豆处理土壤pH值略低,但其它三种作物种植下的土壤均呈微酸性,差异不显著。土壤水解酶动力学参数对种植作物的反应与表观活性的反应不一致。玉米连作土壤蛋白酶和磷酸单酯酶活性高于其它处理;小麦处理的磷酸二酯酶和芳基硫酸酯酶活性最高,水稻连作土壤蛋白酶、磷酸二酯酶和磷酸三酯酶活性最低。连年种植小麦处理的土壤脲酶、磷酸二酯酶以及芳基硫酸酯酶Vmax显著高于其它处理,小麦连作土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸二酯酶和芳基硫酸酯酶的Vmax/Km值显著高于其它处理,可以看出在此处理下土壤酶具有较强的催化潜势。