白洋淀湿地土壤酶活性空间分布与污染物关系研究_聂大刚
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变 量 的 正 态 分 布 检 验 采 用 KolmogorovSmirnov法 ;变 量 之 间 方 差 分 析 采 用 One-Way ANOVA;采用 Spearman相关 系数 表征 变 量之 间 的相 关性 , 以 上 分析 通 过 SPSS软件 (SPSSInc, release13.0)完 成 。方 差 分 析 后 多 重 比 较 采 用 Duncan检 验 , 通 过 SAS软 件 (SASInc, release
人类将大量的有机污染物和营养型污染物排 入自然湿地系统 , 湿地土壤和水体中的植物 、微生
物及少量动物通过分泌特定催化酶物质 , 加速可生
物降解污染物的转化 , 并使之进入生 物体营养循 环 。因此 , 湿地中土壤酶活性的研究 , 将有助于人
为胁迫下湿地退化状况的评价 , 是深入认识湿地自 身生物净化过 程的有力手段之 一[ 1] 。 以往 , 许多 学者探索了湿地土壤胞外酶的时空分布 [ 2 ～ 4] 、酶活 性对湿地环境因子的响应 [ 5 ～ 9] 等问题 , 得出了一些 非常重要的结论 。在人工湿地的研究中 , 有学者发
后用于其他指标测定 。 在 8个采样点 (a1点至 a8 点 )采集表层水
样 。 现场测定 DO、 TDS、 pH、 ORP等常规指标 , 立即 将 水样 冷 藏 运回 实 验 室并 于 48 h内 测定 CODCr、 TN、 TP。采样期间 , 主水流方向较稳定 , 基本沿主干水道由 a1点流向 a8点 , 淀内无其他 方向来水补给 。 实验期间 , 采样水温 10 ～ 12 ℃, 每次采样均是从 a1点至 a8点的方向采集 , 尽可 能保证不同样点之间指标的相对可比性 。 1.3 样品分析方法
8.0)完成 。除特别说明 , 所有分析方法 的置信度 均取 95%。
2 结果与分析
2.1 沿河湿地污染物浓度变化情况 3月, 各采样点主要水质指标变化如图 2所
示 。 主要水质指 标沿 主干 水道的 变化 趋势 较明 显 。 TN、TP沿途呈逐渐 降低趋势 , 且在 a2 点 、 a6 点出现高值 , a2点为上游污水中营养物长期向土 壤中的迁移 , 而 a6点是人为养殖造成的营养物富 集 。 CODCr在 a3 点累 积 , 随 后逐 渐 降低 。 DO随 水质的好转逐渐升高 , 在 a8点的开阔水域又有所 下降 。
DO I :10.13248/j .cnki .wet landsci .2008.02.032
第 6卷 第 2 期 2 0 0 8年 6月
湿 地 科 学
WETLAND SCIENCE
Vol.6 No.2 June, 2 0 0 8
白洋淀湿地土壤酶活性空间分布 与污染物关系研究
聂大刚 1, 2 , 王 亮1, 2 , 尹澄清 1＊ , 王为东 1
现复合垂直流人工湿地中脲酶的活性与湿地污水 中全氮 、钾氮的去除率具有显著的正相关性 [ 10] , 并 且可以把复合垂直流构建湿地基质中脲酶的活性
作为复合垂直流构建湿地去除污水中含氮污染物 效果的一个主要指标 。 SO24 - 、NO3- 、β -葡萄糖苷
酶活性与 CH4 、N2 O排放量之间关系的研究表明 , N2 O的排放量与 NO3-、β -葡萄糖苷酶活性 、水位 高低有显著相关性[ 11] 。 在以色列具有不同程度干
(TSP), 水 体 化 学 耗 氧 量 (CODCr)、 溶 解 氧 (DO)、 氧化还原电位 (ORP)、 水中总溶解性固 体 (TDS)、 总氮 (TN)、 总 磷 (TP)为常 规指 标 , 选择磷酸酶 、 脲酶 、 β -葡萄糖 苷酶为酶学 研究指标 , 在 2007年 3月至 7月 (芦苇生长期 ) 进行每月定期采样分析 。 土壤样品选择在 a1点 、 a2点 、 a4点 、 a5点 、 a6点 、 a7点 (a3点两岸为 村庄 、 a8点为 开阔水 域 )采集 。 采用 混合 采样 法 , 即在采样点中距离水位线边界水平距离 25 cm 的坡岸处 选取 3 ～ 5 点 , 每点 分层 (0 ～ 10 cm、 20 ～ 30 cm、 40 ～ 50 cm)采集 , 将同层土壤样品 充分混合 , 部分样品在 4 ℃下冷藏保存用于测定 鲜样酶活性 (一周 内完成 ), 其余土 壤样品风干
3月和 4 月 6个采样点土壤样品的有机质含 量见表 1。 在 a2 点 、a6点和 a7点 , 有机质含量偏 大 。 a2点附近是府河污染物输入累积 的区域 , 而 a6 点附 近是 鸭场 养殖 产生 的 营 养 型污 染 物 输入 的 区域 , 从而影响 a7点的有机质含量也偏高 。 各点 有机质含量为垂直 3层平均值 。 土壤和水体的指 标同时说明 , 所选 8个点中 , 除 a6点外 , 污染状况 是先累积加重 , 后逐渐减轻的一个过程 。 a6点的 选择 , 是为了考察养殖业对湿地造成的影响 。
图 2 2007年 3月白洋淀芦苇湿地 8个采样点水体的 DO、CODCr、TN、TP浓度 变化 Fig.2 DissolvedOxygen, chemicaloxygendemand(CODCr), totalnitrogenand totalphosphorusconcentrationsofwaterfrom 8 samplingsitesinPhragmites australiswetlandofBaiyangdianinMarch2 007
湿 地 科 学
6卷
HCIO4消煮 , 凯 氏定氮 法 ;TSP, 用 H2 SO4 -HCIO4 消煮 , 钼 锑抗比 色法 ;OM, 水合 热重 铬酸 钾氧 化 比色法 。土壤酶 活性 的测 定 方法 :脲 酶 , 奈氏 比 色法 [ 18] ;磷酸酶 , 对硝基苯磷酸氢二钠基质 , 比色 法 ;β -葡萄 糖苷酶 , 对 硝基 苯 -β -D-葡糖 苷 溶液 (PNG)基质 , 比色法 [ 19, 20 ] 。 1.4 数据分析方法
图 1 白洋淀流域 (a)和研究区中沿 污染浓度梯度线布设的采样点示意图 (b) Fig.1 SketchmapofBaiyangdianBasin(a)andsamplingsitesalongcontaminantconcentrationgradinstudyarea
1.2 样品采集 选择土壤有机质 (OM)、 全氮 (TSN)、 全磷
(1.中国科学院生态环境研究中心 , 环境水质学国家重点实验室 , 北京 100085;2.中国科学院研究生院 , 北京 100049)
摘要 :选择白洋淀芦苇 (Phragmitesaustralis)湿地 内部参 与有机物 质转化 的磷酸 酶 、脲 酶 、β -葡萄 糖苷 酶 , 来 认 识土壤酶活性空间分布 及其在湿地净化污染物过程所发挥 的作用 。 2007年 3 ～ 7月 , 在白洋淀 芦苇湿地中 进行 逐月定期采样 , 对样品进行了测试和分析研究 。 结果表明 , 在垂直方向 , 湿地岸边 带土壤中磷 酸酶和 β -葡 萄糖 苷酶活性自上而下有明显的递减 规律 , 而且 β -葡萄糖 苷酶活性 递减率 大于磷 酸酶活 性 , 而 脲酶活 性垂直 变化 规律不明显 ;在水平方向 , 磷酸酶 活性能较好地表征湿地土壤的污染和自净能力 :酶活 性高是对湿地土壤的 高污 染物浓度及可利用营养 物质的积极响应 ;脲酶 、β -葡 萄糖苷 酶活性 分别与 土壤有机 物含量 呈显著 正相关 (α= 0.05, n=18;α=0.05, n=59), 相 关系数分别为 0.529和 0.640;β -葡萄 糖苷酶活性与土壤全磷含量呈显著正相 关 (α=0.01, n=23), 相关系数为 0.597。 关 键 词 :湿地 ;土壤酶活性 ;脲酶 ;磷酸酶 ;β -葡萄糖 苷酶 中图分类号 :S154.2 文献标识码 :A 文章编号 :1672 -5948(2008)02 -204 -08
1 材料与方法
1.1 研究区概况 白洋淀位于河北省保定市东南 45 km处 , 汇集
收稿日期 :2008 -01 -22;修订日期 :2008 -05 -12 基金项目 :国家重点基础研究发展计划项目 (2006CB403306)和国家自然科学基金项目 (40701086)资助 。 作者简介 :聂大刚(1982 -), 男 , 宁夏回族自治区银川人 , 硕士研究生 , 主要从事水生态与水环境保护研究。 E-mail:smashiel1223@hotmail.com
表 1 2007年 3月和 4月白洋淀芦苇湿地 土壤有机质含量
Table1 Contentsofsoilorganicmatterin PhragmitesaustraliswetlandofBaiyangdianin
水样 常规 指标 采 用 美国 YellowSpring公 司 YSI-6600型水质仪现场测定 ;CODCr采用承德华 通环保仪器公 司 CTL-12COD消 解仪测定 ;TN、 TP采用碱性过硫酸钾氧化 —比色法测定 。
土壤常规 指标的 测定方 法 :TSN, 用 H2 SO4 -
20 6
选取位于安新县城南府河入淀口一带湿地作 为研究区域 (图 1), 特点是 污染物浓度递 减梯度 较明显 ,受纳污水主要有来自上游保定市工业 、
生活污水和周边村镇居民生活 污水 , 人 为污染源 较易确定 。 该区 域内 土壤 属壤质 硫酸 盐氯 化物 湿潮土土属 , 质地 较粘 重 , 耕层土 壤有 机质 平均 含量 1.50%, 全 氮 0.13%, 全 磷 0.08%[ 17] 。 采 样点沿淀区芦 苇湿 地中承 府河下 泄的 一条 主干
旱气候的 3个场地土壤酶活性变化规律的研究中发 现 , 在土 壤 0 ～ 5 cm表 层 , 芳 香硫 酸酯 酶活 性占
50%, 而 0 ～ 2 cm表层的酶活性 , 干旱地要比湿润地 高 ;冬季的脱氢酶活性低于春 、夏 、秋季 , 说明土壤酶 活性能很好地反映气候的干湿交替[ 12] 。有学者通 过野外模拟实验 , 发现人为加入磷酸盐营养物 2 ～ 3 周后 , 湿地表层磷酸酶活性有明显降低 , 说明磷酸酶 活性降低可以做为湿地磷富营养化的预警 [ 13] 。 但 是 , 在自然湿地复杂的地球化学过程中 , 随着污染物 迁移 , 土壤酶的变化情况及其空间分布规律研究还 鲜见报道 。考虑了人为排污 、家禽养殖 、旅游活动等 干扰 , 本文选择受人为污染影响严重的白洋淀芦苇 (Phragmitesaustralis)湿地中微生物活性最高 , 潜水 水质相对稳定 , 距离水界面 0 ～ 0.5 m的区域 [ 14] , 进 行与有机碳 、氮 、磷物质转化密切相关的酶活性的空 间变化规律及其主要影响因子的研究[ 15, 16] , 以期了 解自然湿地污染物生物净化规律 , 为有效管理和保 护湿地提供更多科学依据 。
＊通 讯作者 :尹澄清 , 研究员 。 E-mail:cqyin@ 263.net
来自百度文库
2期
聂大刚等 :白洋淀湿地土壤酶活性空间分布与污染物关系研究
2 05
了唐河 、府河 、漕河 、拒马河等 9条河流的河水 , 白 洋淀水位为 10.5 m(大沽高程 )时 , 淀区总面积达 366 km2 , 是华北平原最大的淡水湿地 , 对整个华北 地区具有重要的生态价值 [ 17] 。 20 世纪 60年代以 来 , 由于水资源不足和 人类大规模经 济活动的影 响 , 致使白洋淀水质受到严重污染 , 湿地面积正在 逐渐缩小 , 功能不断退化 , 迫切需要各级政府的重 视和保护 。
水道进行布设 (图 1), a1点位于府河入淀河口附 近 , 直接接纳 府河 污水 , 常年 水质 较差 , 经 a2 点 至 a8点 , 进入 开 阔淀 区 , 沿线 水 质 逐 渐得 到 改 善 , a5点与 a6点之间有一个鸭场 , a8点附近为旅 游景点 。 各点间隔约 500 m, a1点至 a8点总长约 3 500 m。
人类将大量的有机污染物和营养型污染物排 入自然湿地系统 , 湿地土壤和水体中的植物 、微生
物及少量动物通过分泌特定催化酶物质 , 加速可生
物降解污染物的转化 , 并使之进入生 物体营养循 环 。因此 , 湿地中土壤酶活性的研究 , 将有助于人
为胁迫下湿地退化状况的评价 , 是深入认识湿地自 身生物净化过 程的有力手段之 一[ 1] 。 以往 , 许多 学者探索了湿地土壤胞外酶的时空分布 [ 2 ～ 4] 、酶活 性对湿地环境因子的响应 [ 5 ～ 9] 等问题 , 得出了一些 非常重要的结论 。在人工湿地的研究中 , 有学者发
后用于其他指标测定 。 在 8个采样点 (a1点至 a8 点 )采集表层水
样 。 现场测定 DO、 TDS、 pH、 ORP等常规指标 , 立即 将 水样 冷 藏 运回 实 验 室并 于 48 h内 测定 CODCr、 TN、 TP。采样期间 , 主水流方向较稳定 , 基本沿主干水道由 a1点流向 a8点 , 淀内无其他 方向来水补给 。 实验期间 , 采样水温 10 ～ 12 ℃, 每次采样均是从 a1点至 a8点的方向采集 , 尽可 能保证不同样点之间指标的相对可比性 。 1.3 样品分析方法
8.0)完成 。除特别说明 , 所有分析方法 的置信度 均取 95%。
2 结果与分析
2.1 沿河湿地污染物浓度变化情况 3月, 各采样点主要水质指标变化如图 2所
示 。 主要水质指 标沿 主干 水道的 变化 趋势 较明 显 。 TN、TP沿途呈逐渐 降低趋势 , 且在 a2 点 、 a6 点出现高值 , a2点为上游污水中营养物长期向土 壤中的迁移 , 而 a6点是人为养殖造成的营养物富 集 。 CODCr在 a3 点累 积 , 随 后逐 渐 降低 。 DO随 水质的好转逐渐升高 , 在 a8点的开阔水域又有所 下降 。
DO I :10.13248/j .cnki .wet landsci .2008.02.032
第 6卷 第 2 期 2 0 0 8年 6月
湿 地 科 学
WETLAND SCIENCE
Vol.6 No.2 June, 2 0 0 8
白洋淀湿地土壤酶活性空间分布 与污染物关系研究
聂大刚 1, 2 , 王 亮1, 2 , 尹澄清 1＊ , 王为东 1
现复合垂直流人工湿地中脲酶的活性与湿地污水 中全氮 、钾氮的去除率具有显著的正相关性 [ 10] , 并 且可以把复合垂直流构建湿地基质中脲酶的活性
作为复合垂直流构建湿地去除污水中含氮污染物 效果的一个主要指标 。 SO24 - 、NO3- 、β -葡萄糖苷
酶活性与 CH4 、N2 O排放量之间关系的研究表明 , N2 O的排放量与 NO3-、β -葡萄糖苷酶活性 、水位 高低有显著相关性[ 11] 。 在以色列具有不同程度干
(TSP), 水 体 化 学 耗 氧 量 (CODCr)、 溶 解 氧 (DO)、 氧化还原电位 (ORP)、 水中总溶解性固 体 (TDS)、 总氮 (TN)、 总 磷 (TP)为常 规指 标 , 选择磷酸酶 、 脲酶 、 β -葡萄糖 苷酶为酶学 研究指标 , 在 2007年 3月至 7月 (芦苇生长期 ) 进行每月定期采样分析 。 土壤样品选择在 a1点 、 a2点 、 a4点 、 a5点 、 a6点 、 a7点 (a3点两岸为 村庄 、 a8点为 开阔水 域 )采集 。 采用 混合 采样 法 , 即在采样点中距离水位线边界水平距离 25 cm 的坡岸处 选取 3 ～ 5 点 , 每点 分层 (0 ～ 10 cm、 20 ～ 30 cm、 40 ～ 50 cm)采集 , 将同层土壤样品 充分混合 , 部分样品在 4 ℃下冷藏保存用于测定 鲜样酶活性 (一周 内完成 ), 其余土 壤样品风干
3月和 4 月 6个采样点土壤样品的有机质含 量见表 1。 在 a2 点 、a6点和 a7点 , 有机质含量偏 大 。 a2点附近是府河污染物输入累积 的区域 , 而 a6 点附 近是 鸭场 养殖 产生 的 营 养 型污 染 物 输入 的 区域 , 从而影响 a7点的有机质含量也偏高 。 各点 有机质含量为垂直 3层平均值 。 土壤和水体的指 标同时说明 , 所选 8个点中 , 除 a6点外 , 污染状况 是先累积加重 , 后逐渐减轻的一个过程 。 a6点的 选择 , 是为了考察养殖业对湿地造成的影响 。
图 2 2007年 3月白洋淀芦苇湿地 8个采样点水体的 DO、CODCr、TN、TP浓度 变化 Fig.2 DissolvedOxygen, chemicaloxygendemand(CODCr), totalnitrogenand totalphosphorusconcentrationsofwaterfrom 8 samplingsitesinPhragmites australiswetlandofBaiyangdianinMarch2 007
湿 地 科 学
6卷
HCIO4消煮 , 凯 氏定氮 法 ;TSP, 用 H2 SO4 -HCIO4 消煮 , 钼 锑抗比 色法 ;OM, 水合 热重 铬酸 钾氧 化 比色法 。土壤酶 活性 的测 定 方法 :脲 酶 , 奈氏 比 色法 [ 18] ;磷酸酶 , 对硝基苯磷酸氢二钠基质 , 比色 法 ;β -葡萄 糖苷酶 , 对 硝基 苯 -β -D-葡糖 苷 溶液 (PNG)基质 , 比色法 [ 19, 20 ] 。 1.4 数据分析方法
图 1 白洋淀流域 (a)和研究区中沿 污染浓度梯度线布设的采样点示意图 (b) Fig.1 SketchmapofBaiyangdianBasin(a)andsamplingsitesalongcontaminantconcentrationgradinstudyarea
1.2 样品采集 选择土壤有机质 (OM)、 全氮 (TSN)、 全磷
(1.中国科学院生态环境研究中心 , 环境水质学国家重点实验室 , 北京 100085;2.中国科学院研究生院 , 北京 100049)
摘要 :选择白洋淀芦苇 (Phragmitesaustralis)湿地 内部参 与有机物 质转化 的磷酸 酶 、脲 酶 、β -葡萄 糖苷 酶 , 来 认 识土壤酶活性空间分布 及其在湿地净化污染物过程所发挥 的作用 。 2007年 3 ～ 7月 , 在白洋淀 芦苇湿地中 进行 逐月定期采样 , 对样品进行了测试和分析研究 。 结果表明 , 在垂直方向 , 湿地岸边 带土壤中磷 酸酶和 β -葡 萄糖 苷酶活性自上而下有明显的递减 规律 , 而且 β -葡萄糖 苷酶活性 递减率 大于磷 酸酶活 性 , 而 脲酶活 性垂直 变化 规律不明显 ;在水平方向 , 磷酸酶 活性能较好地表征湿地土壤的污染和自净能力 :酶活 性高是对湿地土壤的 高污 染物浓度及可利用营养 物质的积极响应 ;脲酶 、β -葡 萄糖苷 酶活性 分别与 土壤有机 物含量 呈显著 正相关 (α= 0.05, n=18;α=0.05, n=59), 相 关系数分别为 0.529和 0.640;β -葡萄 糖苷酶活性与土壤全磷含量呈显著正相 关 (α=0.01, n=23), 相关系数为 0.597。 关 键 词 :湿地 ;土壤酶活性 ;脲酶 ;磷酸酶 ;β -葡萄糖 苷酶 中图分类号 :S154.2 文献标识码 :A 文章编号 :1672 -5948(2008)02 -204 -08
1 材料与方法
1.1 研究区概况 白洋淀位于河北省保定市东南 45 km处 , 汇集
收稿日期 :2008 -01 -22;修订日期 :2008 -05 -12 基金项目 :国家重点基础研究发展计划项目 (2006CB403306)和国家自然科学基金项目 (40701086)资助 。 作者简介 :聂大刚(1982 -), 男 , 宁夏回族自治区银川人 , 硕士研究生 , 主要从事水生态与水环境保护研究。 E-mail:smashiel1223@hotmail.com
表 1 2007年 3月和 4月白洋淀芦苇湿地 土壤有机质含量
Table1 Contentsofsoilorganicmatterin PhragmitesaustraliswetlandofBaiyangdianin
水样 常规 指标 采 用 美国 YellowSpring公 司 YSI-6600型水质仪现场测定 ;CODCr采用承德华 通环保仪器公 司 CTL-12COD消 解仪测定 ;TN、 TP采用碱性过硫酸钾氧化 —比色法测定 。
土壤常规 指标的 测定方 法 :TSN, 用 H2 SO4 -
20 6
选取位于安新县城南府河入淀口一带湿地作 为研究区域 (图 1), 特点是 污染物浓度递 减梯度 较明显 ,受纳污水主要有来自上游保定市工业 、
生活污水和周边村镇居民生活 污水 , 人 为污染源 较易确定 。 该区 域内 土壤 属壤质 硫酸 盐氯 化物 湿潮土土属 , 质地 较粘 重 , 耕层土 壤有 机质 平均 含量 1.50%, 全 氮 0.13%, 全 磷 0.08%[ 17] 。 采 样点沿淀区芦 苇湿 地中承 府河下 泄的 一条 主干
旱气候的 3个场地土壤酶活性变化规律的研究中发 现 , 在土 壤 0 ～ 5 cm表 层 , 芳 香硫 酸酯 酶活 性占
50%, 而 0 ～ 2 cm表层的酶活性 , 干旱地要比湿润地 高 ;冬季的脱氢酶活性低于春 、夏 、秋季 , 说明土壤酶 活性能很好地反映气候的干湿交替[ 12] 。有学者通 过野外模拟实验 , 发现人为加入磷酸盐营养物 2 ～ 3 周后 , 湿地表层磷酸酶活性有明显降低 , 说明磷酸酶 活性降低可以做为湿地磷富营养化的预警 [ 13] 。 但 是 , 在自然湿地复杂的地球化学过程中 , 随着污染物 迁移 , 土壤酶的变化情况及其空间分布规律研究还 鲜见报道 。考虑了人为排污 、家禽养殖 、旅游活动等 干扰 , 本文选择受人为污染影响严重的白洋淀芦苇 (Phragmitesaustralis)湿地中微生物活性最高 , 潜水 水质相对稳定 , 距离水界面 0 ～ 0.5 m的区域 [ 14] , 进 行与有机碳 、氮 、磷物质转化密切相关的酶活性的空 间变化规律及其主要影响因子的研究[ 15, 16] , 以期了 解自然湿地污染物生物净化规律 , 为有效管理和保 护湿地提供更多科学依据 。
＊通 讯作者 :尹澄清 , 研究员 。 E-mail:cqyin@ 263.net
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2期
聂大刚等 :白洋淀湿地土壤酶活性空间分布与污染物关系研究
2 05
了唐河 、府河 、漕河 、拒马河等 9条河流的河水 , 白 洋淀水位为 10.5 m(大沽高程 )时 , 淀区总面积达 366 km2 , 是华北平原最大的淡水湿地 , 对整个华北 地区具有重要的生态价值 [ 17] 。 20 世纪 60年代以 来 , 由于水资源不足和 人类大规模经 济活动的影 响 , 致使白洋淀水质受到严重污染 , 湿地面积正在 逐渐缩小 , 功能不断退化 , 迫切需要各级政府的重 视和保护 。
水道进行布设 (图 1), a1点位于府河入淀河口附 近 , 直接接纳 府河 污水 , 常年 水质 较差 , 经 a2 点 至 a8点 , 进入 开 阔淀 区 , 沿线 水 质 逐 渐得 到 改 善 , a5点与 a6点之间有一个鸭场 , a8点附近为旅 游景点 。 各点间隔约 500 m, a1点至 a8点总长约 3 500 m。