环境科学  2023, Vol. 44 Issue (10): 5649-5656   PDF    
引用本文
解雪峰, 徐梓晴, 田再洋, 卜心国, 徐飞, 梁晶, 濮励杰. 不同改良物质添加对滨海盐碱地土壤重金属及酶活性的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(10): 5649-5656.
XIE Xue-feng, XU Zi-qing, TIAN Zai-yang, BU Xin-guo, XU Fei, LIANG Jing, PU Li-jie. Effects of Supplementation of Different Amendments on Soil Heavy Metals and Enzyme Activities in Coastal Saline Land[J]. Environmental Science, 2023, 44(10): 5649-5656.
不同改良物质添加对滨海盐碱地土壤重金属及酶活性的影响
解雪峰1,2, 徐梓晴1, 田再洋1, 卜心国2,3, 徐飞4, 梁晶5, 濮励杰6,7     
1. 浙江师范大学地理与环境科学学院, 金华 321004;
2. 自然资源部海岸带开发与保护重点实验室, 南京 210023;
3. 江苏省土地勘测规划院, 南京 210017;
4. 浙江财经大学土地与城乡发展研究院, 杭州 310018;
5. 上海市园林科学规划研究院, 上海 200232;
6. 南京工程学院环境工程学院, 南京 211167;
7. 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210023
收稿日期: 2022-11-15; 修订日期: 2022-12-30
基金项目: 国家自然科学基金项目（42101068，42171245，41701618）；江苏省海洋科技创新项目（JSZRHYKJ202212）；浙江省自然科学基金项目（LQ21D010007，LY21D010008）；海岸带开发与保护重点实验室开放课题项目（2021CZEPK01）
作者简介: 解雪峰(1991~), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为滨海盐渍土调控与改良, E-mail: xiexuefeng@zjnu.cn
通信作者: 濮励杰, E-mail: ljpu@nju.edu.cn
摘要: 改良物质添加在改善土壤理化性质的同时也可能会导致土壤重金属累积.实验设置了对照（CK）、有机肥（OM）、聚丙烯酰胺+有机肥（PAM+OM）、秸秆覆盖+有机肥（SM+OM）、秸秆深埋+有机肥（BS+OM）和生物菌肥+有机肥（BM+OM）共6个处理方式，研究不同改良物质添加对滨海盐碱地土壤重金属和土壤酶活性的影响，以及二者之间的关系.结果表明，与CK处理相比，不同处理下土壤Cr、Cu、Ni和Pb含量呈现上升趋势，其中SM+OM和PAM+OM处理分别对Cr和Cu含量的影响最为显著，而BM+OM处理对Ni和Pb含量影响最为显著.与CK处理相比，改良物质添加后土壤蔗糖酶和脲酶活性显著上升，其中BM+OM处理效果最好；碱性磷酸酶活性呈现上升趋势，但上升程度较小；过氧化氢酶活性无显著变化.冗余分析表明前两轴累积可解释酶活性变异特征的70.3%，单一重金属对土壤酶活性影响的重要性大小依次为：Ni>Cu>Cr>Pb.
关键词: 滨海盐碱地      土壤改良剂      土壤重金属      土壤酶活性      冗余分析     
Effects of Supplementation of Different Amendments on Soil Heavy Metals and Enzyme Activities in Coastal Saline Land
XIE Xue-feng1,2 , XU Zi-qing1 , TIAN Zai-yang1 , BU Xin-guo2,3 , XU Fei4 , LIANG Jing5 , PU Li-jie6,7     
1. College of Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China;
2. Key Laboratory of the Coastal Zone Exploitation and Protection of Ministry of Natural Resources, Nanjing 210023, China;
3. Jiangsu Provincial Land Survey and Planning Institute, Nanjing 210017, China;
4. Institute of Land and Urban-Rural Development, Zhejiang University of Finance & Economics, Hangzhou 310018, China;
5. Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232, China;
6. School of Environmental Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;
7. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China
Abstract: The supplementation of soil amendments may not only improve the soil physical and chemical properties but also lead to the accumulation of heavy metals in soil. This experiment included six treatments: control (CK), organic manure (OM), polyacrylamide+organic manure (PAM+OM), straw mulching+organic manure (SM+OM), buried straw+organic manure (BS+OM), and bio-organic manure+organic manure (BM+OM) to explore the effects of different soil amendments on heavy metals and soil enzyme activities in coastal saline land and the relationship between them. The results revealed that compared with that in the CK treatment, the contents of soil Cr, Cu, Ni, and Pb exhibited an upward trend after the supplementation of soil amendments, among which the SM+OM and PAM+OM treatments had the most significant effects on the contents of soil Cr and Cu, respectively, whereas the BM+OM treatment had the most significant effects on the contents of soil Ni and Pb. Compared with those in the CK treatment, the activities of soil invertase and urease increased significantly following supplementation of soil amendments, and the BM+OM treatment had the best effect. The alkaline phosphatase activity exhibited a slightly upward trend after the supplementation of soil amendments, whereas the catalase activity did not change significantly. The redundancy analysis revealed that the first two axes cumulatively accounted for 70.3% of the variability in enzyme activities, and the importance of single soil heavy metals on soil enzyme activity was as follows: Ni>Cu>Cr>Pb.
Key words: coastal saline land      soil amendments      soil heavy metals      soil enzyme activity      redundancy analysis     

耕地资源是实现国家粮食安全的资源保障, 也是国民经济发展的重要支撑[1].随着城市化进程加速, 耕地大量流失使得粮食压力日益突出, 粮食安全问题备受关注[2].我国东部沿海发育近2×104 km2的滨海盐碱滩涂湿地, 是重要的后备土地资源[3].滩涂围垦成为我国沿海省市补充耕地资源的最主要方式.滨海盐碱地受土壤质地黏重、盐碱化程度高、基础肥力弱、养分利用率低等因素的影响, 围垦后短期内难以利用[4].

合理添加外源改良物质(有机肥、秸秆还田、生物质炭、生物有机肥等)是目前滨海盐碱地最为常见的土壤改良方式[5~7].外源改良物质添加显著降低了滨海盐碱地土壤的盐分胁迫, 改善了土壤团粒结构、理化性质和微生物生境[7].然而由于有机肥、秸秆等改良材料本身含有一定含量的重金属, 其添加可能会导致土壤重金属累积, 不仅会降低土壤结构和功能, 降低作物产量和质量[8, 9], 还会通过摄入、吸入和皮肤接触对人类健康构成风险[10].有研究表明, 过高浓度的重金属会对作物的生长发育、生理生化、产量品质和能量代谢等产生抑制作用[11].土壤酶作为土壤代谢动力, 几乎参与土壤中所有的生物化学过程, 能够灵敏地指示土壤生境的变化, 是评价滨海盐碱地改良土壤质量演变的重要表征[12].土壤重金属对土壤酶活性的影响存在“低促高抑”现象[13, 14].胡荣桂等[15]研究表明, 低质量浓度的Pb对土壤脲酶活性具有促进作用, 而随着重金属浓度升高其对土壤脲酶活性具有明显的抑制作用[15].郭星亮等[16]研究发现, 土壤蔗糖酶和纤维素酶在中等污染程度以下表现为激活效应, 在重度污染土壤中表现为抑制效应.

目前, 关于土壤重金属和酶活性之间关系的研究大多集中于农田以及重金属污染严重地区, 关于滨海盐碱地的研究仍然较少, 在分析方法上大多采用传统的分析方法, 如相关性分析、因子分析、线性回归分析等, 当变量较多时易受到限制, 形成误差.本文结合冗余分析、蒙特卡洛置换检验和t-value双序图可以直观地给出多变量间的相互作用关系, 揭示不同改良物质添加对滨海盐碱地土壤重金属和土壤酶活性影响以及重金属对酶活性的影响, 以期为滨海盐碱土壤质量提升提供指导.

1 材料与方法 1.1 实验设计

实验区块位于江苏省南通市通州湾滨海园区(32°11′N, 121°22′E).该区域属北亚热带季风性湿润气候, 年平均降雨量和年平均气温分别为1 000~1 080 mm和14~15.0℃, 土壤来源于现代的海相和河相沉积, 属砂质壤土, 盐渍化程度高.实验区2008年围垦用于海水养殖, 于2015年进行土地平整, 平整后海拔约为2.8~3.5 m, 地下水埋深约为1.2~1.8 m.平整后0~20 cm土壤ω(Cr)、ω(Cu)、ω(Ni)和ω(Pb)分别为10.20、10.29、4.58和3.08 mg·kg-1.

本实验于2016年9月建立, 实验前将土壤翻耕至20 cm深度, 并修建18块3 m×2 m的田块.实验设置6种处理措施: ①对照处理(CK), 不进行任何处理; ②有机肥(OM), 将鸡粪堆肥以15 t·hm-2的用量施撒于田块, 然后在0~20 cm翻匀; ③聚丙烯酰胺+有机肥(PAM+OM), 将聚丙烯酰胺(非离子, 相对分子质量为800万)和鸡粪堆肥分别以5‰ (约2 t·hm-2)和15 t·hm-2的用量施撒于田块, 然后在0~20 cm翻匀; ④秸秆覆盖+有机肥(SM+OM), 将鸡粪堆肥以15 t·hm-2的用量施撒于田块, 并在0~20 cm翻匀, 然后将小麦秸秆剪为10 cm每段, 以15 t·hm-2的用量覆于地表; ⑤秸秆深埋+有机肥(BS+OM), 将小麦秸秆剪为10 cm每段, 以15 t·hm-2的用量埋于地下20 cm深度, 然后将鸡粪堆肥以15 t·hm-2的用量施撒于田块, 并在0~20 cm翻匀; ⑥生物菌肥+有机肥(BM+OM), 将嘉华生物菌肥和鸡粪堆肥以15 t·hm-2的用量施撒于田块, 然后在0~20 cm翻匀.每种处理措施3次重复, 随机区组排列.供试材料理化性质如表 1所示.燕麦以60 cm行距进行条播, 播种量为90kg·hm-2.燕麦拔节期时以180kg·hm-2的用量施用尿素, 生育期内其他管理措施与当地农户一致, 燕麦至2017年6月收获.

表 1 供试材料理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested material

1.2 样品采集和分析

土壤样品在燕麦收获后使用直径为3 cm的螺旋钻采集, 共采集了36个0~10 cm和10~20 cm的土壤样品.每个土壤样品在田块内随机采集3次并混合均匀, 放在聚乙烯袋中.在实验室中将土壤样品分为两部分, 一部分烘干过2.0 mm的筛用以测定土壤重金属含量, 另一部分储存在4℃冰箱中用以测定土壤酶活性.

土壤Cr、Cu、Ni和Pb采用硝酸、高氯酸和氢氟酸消解, 用电感耦合等离子体质谱仪测定.土壤酶活性测定参考关松荫[17]的测定方法, 其中蔗糖酶(INV)活性通过3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 脲酶(URE)活性采用靛酚蓝比色法测定, 过氧化氢酶(CAT)活性通过高锰酸钾滴定法测定, 碱性磷酸酶(ALP)活性采用磷酸苯二钠比色法测定.

1.3 数据分析

不同处理措施对土壤重金属含量和土壤酶活性的显著性差异采用单因素方差分析, 并利用LSD法进行多重比较.利用冗余分析(redundancy analysis, RDA)探讨土壤重金属含量和土壤酶活性的关系, 采用蒙特卡洛置换检验分析土壤重金属含量对土壤酶活性影响的重要性, 通过t-value双序图确定单一重金属对土壤酶活性的影响.所有数据的统计分析均在SPSS 22.0中进行, RDA分析、蒙特卡洛检验和t-value双序图在Canoco 4.5软件中进行.

2 结果与分析 2.1 不同改良物质添加对土壤重金属含量的影响

不同改良剂添加下土壤重金属含量如表 2所示.SM+OM、BS+OM和PAM+OM处理下0~10 cm土壤Cr含量较CK处理显著上升, 分别上升了385.03%、351.4%和253.49%; 而10~20 cm土壤Cr含量变化与0~10 cm相似, 其中SM+OM和BS+OM处理显著高于CK处理.添加不同改良剂后0~10 cm土壤Cu含量同样有所上升, 其中PAM+OM、OM、BM+OM、BS+OM和SM+OM处理较CK处理分别上升了96.72%、81.39%、81.09%、65.17%和33.63%, 而10~20 cm土壤Cu含量在不同处理间并无显著性差异.不同改良剂添加下0~10 cm和10~20 cm土壤Ni含量差异显著, 其中BM+OM处理下的Ni含量显著高于其他处理, 分别较CK处理上升了311.25%和403.5%.除BM+OM处理外, 其余改良处理措施较CK处理在0~10 cm土壤Pb含量有所上升, 而10~20 cm土壤Pb含量在不同处理间并无显著性差异.

表 2 不同改良剂添加下土壤重金属含量变化1) Table 2 Changes in soil heavy metal content with different amendments

2.2 不同改良物质添加对土壤酶活性的影响

不同改良剂添加下土壤酶活性变化如表 3所示.不同改良剂添加后0~10 cm土壤蔗糖酶活性均显著提升, 其中BM+OM处理下土壤蔗糖酶活性最高, 较CK处理上升了781.59%.不同改良剂添加后10~20 cm土壤蔗糖酶活性变化与表层相似, PAM+OM、SM+OM和BM+OM处理下的蔗糖酶活性显著高于CK、OM和BS+OM处理.0~10 cm土壤脲酶活性在施加改良剂后显著提升, 其中BM+OM处理最高, 较CK处理上升了353.84%; 而SM+OM、BM+OM和OM处理下10~20 cm土壤脲酶活性显著高于CK处理.BM+OM处理下的0~10 cm土壤过氧化氢酶活性显著高于其他处理, 而PAM+OM、BS+OM和BM+OM处理下的10~20 cm土壤显著高于CK处理.6种处理类型下0~10 cm土壤碱性磷酸酶活性从大到小依次为: BS+OM>SM+OM>PAM+OM>OM>BM+OM>CK.然而, PAM+OM处理下10~20 cm土壤的碱性磷酸酶活性最高, 显著高于BS+OM、BM+OM、OM和CK处理.

表 3 不同改良剂添加下土壤酶活性变化1) Table 3 Changes in soil enzyme activity with different amendments

2.3 土壤重金属和酶活性关系 2.3.1 土壤重金属与酶活性RDA排序

土壤重金属与土壤酶活性的二维排序图(图 1)表明, 4种土壤重金属在前两轴累计解释了土壤酶活性变异特征的70.3%, 且主要由第1轴决定.Ni与脲酶和过氧化氢酶活性呈显著正相关关系, 但与蔗糖酶和碱性磷酸酶活性相关性较弱.Cu与蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性呈正相关关系, 与过氧化氢酶活性相关性较弱.Cr和Pb均与碱性磷酸酶呈正相关关系, 与过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶相关性较弱.

ALP为碱性磷酸酶活性, CAT为过氧化氢酶活性, INV为蔗糖酶活性, URE为脲酶活性, 下同 图 1 土壤重金属与土壤酶活性RDA双序图 Fig. 1 Biplots of RDA with soil heavy metals and soil enzyme activities

通过对土壤重金属进行蒙特卡洛置换检验排序分析土壤重金属对酶活性影响的重要性.从表 4可知, 各土壤重金属对土壤酶活性影响的重要性排序为: Ni>Cu>Cr>Pb, 解释量分别达到了59.3%、39.1%、11.2%和9.9%.其中, Ni和Cu对土壤酶活性影响均达到极显著水平(P＜0.01), Cr和Pb对土壤酶活性影响达到显著水平(P＜0.05).

表 4 土壤重金属对土壤酶活性解释的重要性排序和显著性检验 Table 4 Explained variation and significance tests of soil heavy metals on soil enzyme activities

2.3.2 单一重金属对土壤酶活性的影响

通过t-value双序图进一步分析单一土壤重金属对酶活性的影响.图 2(a)表示Ni与酶活性关系, 土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶完全落在红线圈内, 说明Ni与脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶呈显著正相关关系; 过氧化氢酶穿过红线圈, 说明Ni与过氧化氢酶呈现正相关.图 2(b)表示Cu与土壤酶活性关系, 过氧化氢酶穿过蓝线圈, 可知Cu和过氧化氢酶呈现负相关; 碱性磷酸酶穿过红线圈, 与Cu呈现正相关关系.由图 2(c)看出碱性磷酸酶完全在红线圈内, 脲酶和蔗糖酶穿过红线圈中, 表明Cr与碱性磷酸酶显著正相关, 与脲酶和蔗糖酶正相关, 同时过氧化氢酶穿过蓝线圈, 由此看出Cr与过氧化氢酶活性呈负相关性.对Pb进行分析[图 2(d)], 碱性磷酸酶完全在红线圈内, 呈现显著正相关; 蔗糖酶和脲酶穿过红线圈, 呈现正相关; 过氧化氢酶穿过蓝线圈, 呈现负相关关系.

若某个土壤酶活性指标的箭头连线完全落入线圈中, 则表示该种土壤酶活性与研究的土壤重金属具有显著相关性, 若落入红色线圈表示呈显著正相关, 蓝色线圈为显著负相关 图 2 土壤重金属与土壤酶活性t-value双序图 Fig. 2 Biplots of t-value with soil heavy metals and soil enzyme activities

3 讨论

外源改良物质添加对土壤重金属含量的影响存在差异.秸秆、有机肥等有机物质添加对土壤环境中污染物的迁移能力有较强影响, 改变了土壤-作物系统中重金属的迁移和累积[18].有研究表明, 作物秸秆可能含有较高的重金属, 从而还田后增加土壤重金属含量[19].连续施用畜禽粪便堆肥等会向土壤-植物系统带入大量外源重金属元素[20].何梦媛等[21]在田间连续4 a施加鸡粪, 发现耕层土壤Cu、Zn、Cd、Cr和Pb含量显著增加, 存在一定比例Cu和Zn迁移到耕层以下, 且有机肥施用量越高, 重金属向下迁移的深度越深.本研究中表层土壤Cu、Cr、Pb和Ni含量增加, 尤其是在BM+OM处理下Ni和Pb含量显著增加, 且Cu、Cr和Pb在10~20 cm土层中仍小幅度上升.王开峰等[22]稻田试验中0~20 cm土壤Zn、Cu、Cd和Pb全量、有效态含量及其活化率在施加中、高量有机肥后明显提高.Guo等[23]进行两年施肥实验中发现所有样本土壤Zn和Cu的重金属污染最严重, 其含量均超过土壤质量标准.Qian等[24]在4 a实验中发现Hg、Cr、Cu、Zn和Mn的含量随有机肥施用时间增加而增加.本研究中, 0~10 cm土壤和10~20 cm土壤中的Cu和Pb较CK处理均显著上升.

土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性的高低直接影响到土壤C、N、P生物化学循环过程的强度, 与土壤肥力水平和土壤质量密切相关[25, 26].外源改良物质的添加改变了滨海盐碱地土壤结构、水分、温度、盐分和养分浓度, 并影响土壤酶活性[27, 28].在本研究中, 与CK处理相比, 有机肥的添加显著增加了蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性, 轻微增加了表层过氧化氢酶活性(表 3).Yang等[29]研究发现施用有机肥和化肥会增加土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性, 而施用有机肥效果比化肥更好.徐双等[30]在东营滨海盐碱地也发现添加有机改良剂后土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性较对照组分别增加49.7%、41.4%和22.8%.这主要是添加有机肥增加了养分的可利用性, 改变了微生物群落的组成, 促进了土壤微生物过程, 从而提高了酶的活性[31].有研究表明, 秸秆的掺入提供了足够的有机物来刺激微生物, 从而提高了微生物的生物量和活性, 促使土壤酶活性增强[32].本研究中, 秸秆覆盖和秸秆深埋等措施能够显著增加表层土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性.PAM的应用可以稳定土壤团聚体, 减少容重和养分损失, 改善土壤微生物群落结构, 从而提高酶活性[33].本研究中, PAM施用下土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性分别比CK提升了6.2、1.4和1.5倍(表 3).Xu等[34]研究也发现施用PAM显著增加了转化酶、脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性.本研究同样发现施用生物有机肥显著提高了土壤酶活性.一方面, 施用的生物有机肥含有大量的活性细菌如芽孢杆菌等, 显著增加了土壤微生物的活性; 另一方面, 添加生物有机肥改善了土壤环境, 并为酶反应提供了充足的底物[35].有研究表明, 不同外源改良物质添加提升了土壤酶活性, 进而提升土壤肥力水平, 增加作物产量[25].

土壤酶活性和重金属污染程度存在一定相关性, 重金属参与土壤中生物化学反应, 对土壤酶有一定的激活或抑制效应[13].因此, 土壤酶活性可作为诊断土壤重金属污染、评价重金属修复效果的生化指标[36].土壤重金属离子以酶的辅基形式参与生物化学反应, 促进酶活性部位与底物进行配位结合, 从而提高土壤酶的活性[37].杨正亮等[38]实验发现重金属Cd、Cr和Pb培育时的一定阶段对土壤脲酶活性具有一定的刺激作用.孟庆峰等[39]发现重金属质量分数较低时, Cr和Pb对土壤脲酶活性起促进作用, 对过氧化氢酶活性起抑制作用.高秀丽等[40]研究发现土壤过氧化氢酶活性和Pb、Cd呈现显著的负线性关系.本研究中, 土壤Cr和Pb与土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性呈正相关关系, 与土壤过氧化氢酶活性相关性不显著, 表明Cr和Pb含量的提升激活了土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性.王甜[41]研究表明, 随着Ni含量增加, 土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性增加.本研究Ni含量与过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性存在显著的正相关关系.

4 结论

(1) 不同改良物质添加下土壤重金属含量存在显著差异.改良物质添加不同程度地增加了土壤Cr、Cu、Ni和Pb含量.同时0~10 cm土壤4种重金属含量均高于10~20 cm.

(2) 不同改良物质添加后0~10 cm土壤中蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性均较CK处理有不同程度上升, 而过氧化氢酶活性无显著变化.10~20 cm土层中土壤蔗糖酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性较CK处理有所上升, 脲酶活性除PAM+OM处理外同样有所上升.

(3) 不同改良物质添加下土壤重金属与土壤酶活性关系密切.其中, 土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性与土壤Cu、Ni、Cr和Pb含量呈现正相关关系; 土壤过氧化氢酶与Cu、Cr和Pb均呈负相关关系.土壤Ni和Cu含量是影响土壤酶活性变化的主要重金属.

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