長春市土壤重金屬化學形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關系

陳薇薇,李悅銘,郭 平

(吉林大學環境與資源學院,吉林長春130012)

長春市土壤重金屬化學形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關系

陳薇薇,李悅銘,郭 平

(吉林大學環境與資源學院,吉林長春130012)

通過樣品采集和室內分析相結合的方法研究了長春市城市土壤重金屬化學形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關系,以及土壤理化性質對重金屬形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間關系的影響.實驗結果表明:城市土壤環境的空間異質性是引起城市土壤微生物參數的空間分異性的主要原因.長春市土壤重金屬(Pb、Cd、Cu、Zn和Ni)不同的化學形態對土壤微生物量、微生物商和代謝商的影響明顯不同,且土壤理化性質對它們之間關系的影響比較顯著.采用重金屬化學形態與微生物學指標相結合的方法評價長春市土壤重金屬污染狀況時,應該剔除土壤理化性質的影響.可以選擇碳氮比與有機結合態Ni含量相結合的方法評價長春市土壤重金屬污染狀況或者確定重金屬污染的臨界濃度.

重金屬化學形態;城市土壤;微生物量;微生物商;代謝商;碳氮比

城市土壤是城市生態系統的重要組成部分,是城市園林植物生長的介質和養分的供應者;是人們休息、娛樂的場所;是城市污染物的源和匯;它關系到城市生態環境質量和人類健康[1].城市化進程的加速發展導致大量的工業“三廢”等有毒有害物質直接進入到城市土壤中,或通過大氣和水體再進入到土壤中,造成城市土壤的重金屬污染.重金屬難降解、易積累、毒性大,它所造成的污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點[2],這不僅破壞了城市土壤的生態環境而且還影響了城市居民的身體健康,制約了城市的可持續化發展.目前,國內外通常采用重金屬全量及其與土壤微生物參數之間的關系來評價土壤重金屬污染狀況[3-5].研究表明,土壤微生物參數能夠反映土壤類型、土壤理化性質和土壤污染狀況等土壤綜合狀況[6].其中,微生物量、微生物商和代謝商對氣候、人為活動、重金屬污染等外界條件的反應比較敏感,是用來評價土壤重金屬污染生態系統功能變化的重要微生物學參數[7].在土壤重金屬污染脅迫下,這些微生物學參數的變化不僅受到重金屬全量的影響,而且一定程度上取決于重金屬的化學形態[8-10],因為重金屬化學形態與重金屬的生物有效性密切相關,能夠直接反映重金屬對土壤微生物的毒性效應和對土壤生態系統的潛在危害程度[11].因此,本論文以長春市土壤為對象,系統研究了長春市城市土壤微生物參數的特征及其空間異質性,利用偏相關分析方法研究了土壤重金屬及其化學形態與土壤微生物參數之間的相關性,旨在揭示土壤重金屬化學形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的本質關系,為土壤環境質量評價和生態風險評價及重金屬污染下城市土壤的防治提供理論依據.

1 材料與方法

土壤樣品采集、處理和土壤理化性質測定方法參見文獻[12].

1.1 土壤微生物量碳、氮和磷的測定

土壤微生物量碳、氮和磷的含量均采用氯仿熏蒸法進行測定[13].采用島津 TOC-Vcph型總有機碳分析儀測定提取液中碳的含量;采用分光光度法測定提取液中的氮和磷的含量.

1.2 土壤重金屬化學形態提取及其含量測定

采用改進的Tessier連續萃取方法提取土壤中各重金屬的交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化結合態、有機結合態和殘渣態[14-15].采用 HNO3-HCl-HClO4消化法對殘渣態中的重金屬Pb、Cd、Cu、Zn和Ni進行消化,然后采用原子吸收分光光度法測定土壤中各種重金屬及其各化學形態的含量.重金屬各化學形態含量與分布情況見表1.

表1 土壤重金屬化學形態含量與分布 mg/kg

1.3 數據統計與分析方法

實驗數據主要采用Microsoft 2003和SPSS 11.5軟件包中的相關分析、偏相關分析和逐步回歸統計方法研究變量之間的關系.

2 結果與討論

2.1 土壤微生物量、微生物商和代謝商及其空間分異性

城市土壤微生物量和活性狀況如表2所示.由表2可知,城市土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷的平均含量分別為82.89,13.33和2.87 mg/kg.其中微生物量碳含量約為微生物量磷含量的40倍;碳氮比的平均值為9.09,微生物商的平均值為0.49,前者約為后者的38倍;代謝商平均值為0.24 h-1.

表2 城市及各功能區土壤微生物量及其活性

同一微生物學指標在不同功能區明顯不同.微生物量碳在廣場土壤中含量最高,可達129.12 mg/ kg;其次是在公園土壤中,平均含量為118.89 mg/kg;農用耕地、開發區和工業區土壤中含量相近.微生物量氮在農業土壤中的平均含量最高(24.60 mg/kg),在其他各功能區大小順序依次是廣場、公園、開發區和工業區.微生物量磷在廣場土壤中平均含量最高,為4.42 mg/kg,在工業區土壤中平均含量最低(0.55 mg/kg).通過比較各功能區土壤中微生物量碳、氮和磷的數值發現,工業區土壤中微生物量最低,這表明工業活動嚴重破壞了城市土壤微生物的生命活動,大大降低了其繁殖能力.碳氮比在各功能區的分布情況為:工業區>廣場>公園>開發區>農用耕地,表明碳氮比隨著城市化的不斷發展呈增大趨勢.微生物商在廣場土壤中最大(0.55),其次為公園土壤(0.47),在農用耕地土壤中該數值最低(0.27).

工業區土壤中代謝商的數值均大于其他土壤功能區的代謝商值,平均值達到0.64 h-1,顯示出城市中心地帶土壤中代謝商數值高于城市邊緣區土壤,說明城市環境脅迫導致其微生物代謝能力發生了明顯改變,從而產生高水平、不穩定的微生物活動[16].

2.2 土壤微生物量、微生物商和代謝商與重金屬化學形態之間的關系

土壤中的微生物對重金屬污染具有極高的敏感性,重金屬污染能明顯影響土壤微生物生物量、微生物商和代謝商等微生物學參數,這與土壤中重金屬的生物有效性密切相關.然而,重金屬的生物有效性受重金屬化學形態的影響,其中交換態重金屬生物有效性最強,殘渣態重金屬性質穩定,不能被微生物利用.所以本論文分析了土壤微生物量、微生物商和代謝商與重金屬化學形態之間的相關性,實驗結果列于表3.

由表3可知,在本實驗所獲得的重金屬各化學形態、濃度范圍內,各重金屬化學形態對土壤微生物量、微生物商和代謝商的影響方向和影響強度明顯不同.碳酸鹽結合態Pb含量與微生物量碳呈顯著正相關.交換態的Cd與微生物量氮呈顯著正相關,說明交換態Cd促進了微生物的生長和繁殖,這也是土壤陽離子交換量(CEC)[12]與微生物量氮呈顯著正相關的原因(r=0.3424＊>R0.05).有機結合態Cd與土壤微生物量碳呈顯著正相關.土壤Ni各化學形態對微生物生物量、微生物商和代謝商的影響比較大,交換態Ni與微生物量碳、微生物量氮均呈顯著正相關,與微生物商呈顯著正相關,與代謝商呈顯著負相關;碳酸鹽結合態Ni的含量與微生物量碳呈顯著正相關;有機結合態Ni的含量與碳氮比呈顯著負相關.非殘渣態Ni含量與微生物量碳、微生物量氮呈顯著正相關,與代謝商呈顯著負相關.綜合上述結果,初步推測可以采用本實驗獲得濃度范圍內的交換態Ni含量(0～7.27 mg/kg)與代謝商、有機結合態Ni含量(0.66～8.00 mg/kg)與碳氮比、非殘渣態Ni(1.18～21.87 mg/kg)含量與代謝商之間的相關性相結合的方法來評價城市土壤受重金屬Ni污染的狀況.

2.3 土壤理化性質對重金屬形態與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間關系的影響

土壤微生物量、微生物商和代謝商的變化能在一定程度上綜合反映土壤整體狀況的變化.土壤理化性質和重金屬對土壤微生物量、微生物商和代謝商均產生重要影響,并且土壤理化性質對重金屬與土壤微生物學參數之間的關系也會產生影響.土壤有機質含量、p H值及土壤含水率等通常是土壤微生物參數大小的主要控制因素[17-18],而且土壤黏粒、鐵鋁氧化物含量和氧化還原電位等性質也會改變重金屬對土壤微生物參數的影響.為了揭示土壤理化性質對土壤重金屬化學形態與土壤微生物量、微生物商及代謝商之間關系的影響,本論文采用偏相關分析的方法進行研究.此方法是通過比較在控制因素存在的條件下,重金屬化學形態與微生物參數之間的相關程度獲得的.因此,確定控制因素是偏相關方法的關鍵環節.

通常控制因素是選擇對微生物學參數產生影響的主要土壤理化性質.采用逐步回歸統計方法建立方程來確定影響土壤微生物參數的主要理化性質,結果列于表4.由表4可知,有機質含量是影響微生物量碳和代謝商的主要因素,但影響的方向和強度不同.土壤p H是影響微生物量氮的主要因素.

表3 土壤微生物參數與重金屬化學形態的相關性(r)與偏相關性(R)

表4 土壤微生物活性與土壤理化性質逐步回歸方程

土壤微生物量、微生物商和代謝商與土壤重金屬各化學形態之間的偏相關分析結果見表3.由表3可知,與無控制因素相比,在控制因素作用下的土壤重金屬化學形態對土壤微生物量、微生物商和代謝商影響均發生了變化.除了碳酸鹽結合態Pb含量與代謝商相關系數以及有機結合態Ni含量與微生物商的相關系數(相關系數的絕對值)升高外,其他變量間的偏相關系數均下降.說明控制因素抑制或掩蓋了實驗所獲得的濃度范圍內的碳酸鹽結合態 Pb(1.58～55.44 mg/kg)和有機結合態Ni(0.66～8.00 mg/kg)對微生物代謝功能的抑制作用,而其他控制因素對重金屬各化學形態與微生物參數關系均有不同程度的協同放大作用.

從表3可見,與無控制因素相比,交換態Cd對微生物量氮的偏相關系數下降了0.1381,達到不顯著水平.有機結合態Cd與微生物量碳的偏相關系數下降了0.0388,且偏相關系數達到顯著水平,可見土壤有機物對有機結合態Cd刺激微生物生長繁殖的協同放大作用并不大,主要是有機結合態Cd刺激了土壤微生物的生長繁殖.

與相關系數相比,交換態Ni與微生物量碳、微生物量氮、碳氮比和代謝商的偏相關系數均有所減少,分別減少了0.0742,0.0699,0.0275,0.0923,且與碳氮比和代謝商的偏相關系數達到不顯著水平.與相關系數相比,碳酸鹽結合態Ni與微生物量碳偏相關系數減少了0.0126;有機結合態Ni與碳氮比的偏相關系數減少了0.0733;非殘渣態Ni的含量與微生物量碳、代謝商的偏相關系數變化較大,分別減少了0.1625,0.1332,但均不顯著,其與微生物量氮的偏相關系數減少了0.0734.可見控制因素掩蓋了重金屬化學形態對微生物量、微生物商及代謝商的影響,所以采用微生物學指標評價土壤重金屬污染狀況時,剔除掉土壤理化性質對微生物指標的影響是十分必要的.綜合上述結果,可以采用碳氮比與有機結合態Ni(0.66～8.00 mg/kg)含量相結合的方法來評價土壤重金屬污染狀況或者確定重金屬污染的臨界濃度.由此可見,利用重金屬化學形態與微生物學指標相結合評價土壤重金屬污染程度和狀況比利用重金屬含量與微生物學指標結合更加合理.

3 結論

(1)長春市土壤環境的空間異質性是引起城市土壤微生物參數的空間分異性的主要因素.

(2)城市土壤的各理化性質對土壤微生物學參數產生的影響程度和方向均不同,而且對城市土壤微生物學和重金屬之間的關系具有協同放大或者抑制掩蓋作用,因此,在評價土壤重金屬污染狀況和受重金屬污染程度時需要剔除土壤理化性質對土壤微生物參數的影響.

(3)可以采用碳氮比與有機結合態Ni含量相結合的方法來評價長春市土壤重金屬Ni污染狀況.

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(責任編輯:方 林)

Relationships between the chemical forms of heavy metals and the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils in Changchun City

CHEN Wei-wei,LI Yue-ming,GUO Ping
(College of Environment and Resource,Jilin University,Changchun 130012,China)

The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of Changchun urban soils,as well as the effects of the physicochemical properties of soils on their relationships were investigated by the methods of sample collection and laboratory analysis in this work.The experimental results indicated that the spatial heterogeneities ofthesoilmicrobiologicalparametersweremainlyresulted fromthespatial heterogeneities of the urban soil environment.The different chemical forms of heavy metals(Pb,Cd, Cu,Zn and Ni)had different impacts on the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils.The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of soils were influenced by the physicochemical properties of soils obviously,and the effects of chemical forms ofheavy metals on the soil microbiological parameters were amplified or concealed by the soil organic matter content and p H,etc..It will be more suitable for assessing the contamination of heavy metals by combining the chemical forms of heavy metals with the microbiological parameters.Besides,the effects of soil physicochemical properties should be eliminated when establishing the evaluation indexes for heavy metals in Changchun urban soils.The combination of the microbial quotient and the content of organic-bond Ni can be adopted to assess the contamination of heavy metals in soils and determine the critical concentration of heavy metals pollution.

chemical forms of heavy metals;urban soil;microbial biomass;microbial quotient;metabolic quotient;carbon nitrogen ratio

X 833[學科代碼]610·2030

A

1000-1832(2010)04-0144-06

2010-07-12

博士后專項基金資助項目(20060490900);國家自然科學基金資助項目(30570269).

陳薇薇(1982—),女,博士研究生,主要從事環境污染控制和治理研究;通訊作者:郭平(1972—),女,博士,副教授,主要從事污染生態、污染環境修復研究.