宋鳳敏 喬權(quán) 湯波

摘要：采用室內(nèi)模擬試驗向土壤中添加重金屬Mn、Ni離子后測定土壤脲酶活性變化，確定重金屬錳鎳單獨污染和復(fù)合污染對土壤脲酶活性的影響。結(jié)果表明，在單一鎳污染體系中，Ni2+濃度為0～30 mg/kg時，隨著污染時間延長，土壤脲酶活性增大;當(dāng)Ni2+濃度為60～120 mg/kg時，隨著污染濃度和時間的增加，土壤脲酶活性下降，重金屬鎳污染濃度的增加對土壤脲酶活性具有抑制作用。在單一重金屬錳污染體系中，當(dāng)Mn2+濃度小于等于120 mg/kg、污染時間為12、24 h時，Mn2+濃度的增加對脲酶活性具有促進(jìn)作用;在Mn2+濃度大于120 mg/kg時，對脲酶活性具有抑制作用。在重金屬錳鎳復(fù)合污染時，土壤脲酶的凈變化量（ΔU）>0的處理占總處理的90%以上;在Ni2+、Mn2+復(fù)合污染體系中，鎳和錳之間存在較強的協(xié)同作用，使得土壤脲酶活性增強，且大部分體系在污染時間較長時，隨錳離子濃度增大，ΔU總體增大;在污染24 h，Ni-Mn濃度為120-240 mg/kg時，ΔU最大，為1.832。在重金屬復(fù)合污染體系中，重金屬錳對脲酶活性的影響起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：錳;鎳;復(fù)合污染;脲酶活性

中圖分類號： X171.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0248-04

隨著工農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，土壤的重金屬污染愈發(fā)嚴(yán)重，土壤重金屬污染往往是多種金屬同時存在的復(fù)合污染，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有多樣性、復(fù)雜性等特點。有研究表明，我國耕地中有16.67%左右的土壤受重金屬污染，占耕地總面積的1/6左右[1]。重金屬復(fù)合污染不僅嚴(yán)重危害植物生長，而且對土壤酶活性、土壤微生物生長和代謝產(chǎn)生明顯不良影響。土壤重金屬離子對土壤酶活性產(chǎn)生抑制或激活作用，重金屬對酶活性的影響機(jī)制不僅和單一重金屬含量相關(guān)，更與多種重金屬復(fù)合污染有關(guān)。由于土壤酶穩(wěn)定、敏感的特性，其活性大小能較敏感地反映土壤中生化反應(yīng)的方向和程度，是探討重金屬污染生態(tài)效應(yīng)的有效指標(biāo)之一[2]。因此通過土壤酶的活性變化研究來探明土壤重金屬污染的程度及其對作物生長的影響是一種常用的手段。

土壤脲酶是土壤系統(tǒng)中最重要的酶之一，參與土壤系統(tǒng)中的氮循環(huán)，可以反映土壤的供氮水平和能力，是研究重金屬污染的重要指標(biāo)之一[3-4]。已有研究表明，土壤脲酶活性與土壤的微生物數(shù)量、有機(jī)物質(zhì)含量、全氮含量和速效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系[5]。有關(guān)研究表明，以土壤脲酶活性作為預(yù)測土壤重金屬復(fù)合污染程度的主要生化指標(biāo)具有一定的可行性[6]，且脲酶對于某些重金屬較敏感，因此脲酶活性成為土壤重金屬污染的1個敏感指標(biāo)[7]。重金屬錳和鎳是土壤污染中比較常見的重金屬，近年來有一些關(guān)于單一重金屬鎳或錳污染對土壤脲酶活性影響的研究[8-9]，但關(guān)于土壤錳鎳復(fù)合污染對脲酶活性影響的研究還鮮有報道，本試驗通過揭示錳鎳復(fù)合污染對土壤脲酶活性的影響，以期為重金屬錳鎳復(fù)合污染土壤的生態(tài)效應(yīng)及其治理和修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于2017年3月采自陜西省勉縣驛巴鄉(xiāng)（遠(yuǎn)離城區(qū)和金屬礦區(qū)）的農(nóng)田，采樣深度為0～20 cm。土樣經(jīng)風(fēng)干碾碎處理，過1 mm尼龍篩，裝入自封袋備用。采用常規(guī)方法[10]分析土樣的理化性質(zhì)。

土壤中錳、鎳全量分析用電熱板濕法消解，即土壤樣品消解采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解，消解液用原子吸收分光光度計測量;土壤中有效態(tài)錳、鎳用歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局（BCR）提出的連續(xù)提取法[11]進(jìn)行提取用原子吸收分光光度計測量可交換態(tài)的金屬離子含量。

1.2 研究方法

本研究采用Ni（NO3）2·6H2O、MnSO4·H2O（分析純）制成不同濃度處理水平溶液對土壤進(jìn)行Ni、Mn單一及復(fù)合污染。重金屬鎳添加至土壤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、30、60、90、120 mg/kg，重金屬錳添加到土壤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、60、120、180、240 mg/kg，采用隨機(jī)兩兩組合設(shè)計，每組作3次平行試驗。

脲酶活性測定[12]：稱取5 g土樣置于150 mL三角瓶中，加1 mL甲苯，15 min后，單一污染的處理為添加不同質(zhì)量濃度的硝酸鎳或硫酸錳10 mL，復(fù)合污染的處理為添加不同質(zhì)量濃度的硝酸鎳和硫酸錳各5 mL，混合均勻30 min后，加入0.1 mol/L尿素溶液10 mL和pH值為6.7的檸檬酸緩沖液20 mL，搖勻放入恒溫培養(yǎng)箱，37 ℃培養(yǎng)，每隔6 h取1 mL上清液于50 mL容量瓶中，連續(xù)進(jìn)行4次，用靛酚藍(lán)比色法測定酶的活性，以試驗時間內(nèi)5 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)來表示。每一土樣需作無基質(zhì)（以相同的水代替尿素溶液）對照，整個試驗需作無土（其他操作與樣品試驗相同）對照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)為3次平行試驗的算術(shù)平均值，數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行初步計算及處理作圖。采用計算酶活性凈變化量（ΔU）的方法[13]判斷錳鎳對土壤脲酶活性的聯(lián)合作用。

ΔU=（UNi+Mn-UCK）-（UNi-UCK）-（UMn-UCK）。

式中：UNi+Mn為一定濃度Ni-Mn復(fù)合處理的酶活性;UNi和UMn為相應(yīng)濃度的Ni、Mn單獨處理時土壤的酶活性;UCK為無Ni、Mn處理的對照土壤酶活性。

當(dāng)ΔU=0時，錳和鎳之間無交互作用;當(dāng)ΔU>0時，錳和鎳之間存在協(xié)同作用;當(dāng)ΔU<0時，錳和鎳之間存在拮抗作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一重金屬污染對土壤脲酶活性的影響

由分析測得，土壤pH值為6.78，土壤有機(jī)質(zhì)含量為11.90%，速效氮含量為60.21 mg/kg，速效鉀含量為 293.52 mg/kg，速效磷含量為 8.65 mg/kg，總錳含量為 554.7 mg/kg，有效態(tài)錳含量為43.7 mg/kg，總鎳含量為 22.7 mg/kg，有效態(tài)鎳含量為1.7 mg/kg。

2.1.1 不同濃度鎳和錳單一污染對土壤脲酶活性的影響 從圖1可以看出，在Ni單一污染條件下，當(dāng)Ni2+濃度小于等于30 mg/kg時，土壤脲酶活性沒有明顯變化，當(dāng)Ni2+濃度大于30 mg/kg時，土壤脲酶活性開始受到抑制作用，脲酶活性逐漸降低至0，其原因在于脲酶中的α亞基在其雙核活性的中心部位鍵結(jié)合了2個鎳離子，其中鎳在維持脲酶的分子結(jié)構(gòu)和催化功能上起到了很重要的作用;因此，在Ni2+允許的濃度范圍內(nèi)，添加的鎳對脲酶的合成有促進(jìn)作用，可以刺激土壤中微生物的大量繁殖，使土壤的脲酶活性呈上升趨勢;但高濃度Ni2+則會抑制酶促反應(yīng)，抑制微生物繁殖，使脲酶活性降低，這與王學(xué)峰等的研究結(jié)果[14]一致。

由圖2可知，向土壤中加入不同濃度的Mn2+之后，土壤脲酶活性也有不同程度的變化。培養(yǎng)24 h時Mn2+濃度為120 mg/kg的脲酶活性最高，Mn2+濃度為240 mg/kg，土壤的脲酶活性最低，表明一定濃度的Mn2+對土壤脲酶活性具有促進(jìn)作用，隨著Mn2+濃度的繼續(xù)增加，土壤脲酶活性呈現(xiàn)出下降的趨勢，但下降的幅度較小，趨于平衡。趙峰等研究錳對土壤酶活性的影響時，也取得類似研究結(jié)果[15]，重金屬對土壤酶活性低促高抑的現(xiàn)象同樣被其他研究者[16]觀察到。低濃度Mn2+對土壤脲酶活性具有促進(jìn)作用的原因，一方面可能是由于低濃度的重金屬對土壤微生物生物量存在刺激作用，且其刺激作用有一定的濃度范圍[17];另一方面可能是由于酶為蛋白質(zhì)，重金屬離子作為輔基，有利于酶活性中心與底物的配位合成，使酶分子與酶活性中心保持了一定的專性結(jié)構(gòu)，改變了酶促反應(yīng)的平衡性和酶蛋白的表面電荷，從而進(jìn)一步增強酶活性[18]。大量研究表明，高濃度的Mn2+對土壤脲酶活性有抑制作用，其抑制機(jī)制可能與酶分子中的活性部位——巰基和含咪哇的配體等結(jié)合[19]，形成了較穩(wěn)定的絡(luò)合物，產(chǎn)生與底物的競爭性抑制作用有關(guān)。另有研究報道，重金屬污染對土壤脲酶活性的影響為抑制作用，是由于重金屬抑制了土壤微生物的生長和繁殖，減少其體內(nèi)酶的合成和分泌，導(dǎo)致土壤脲酶活性下降[20]。

2.1.2 單一金屬鎳和錳不同污染時間對土壤脲酶活性的影響 從圖1可以得出，在Ni2+濃度小于等于30 mg/kg時，隨著污染時間的增加，脲酶的活性增強，在Ni2+濃度為60～120 mg/kg 時，隨著污染時間的增加，脲酶的活性總體減弱。在鎳濃度為60 mg/kg時，培養(yǎng)6 h的脲酶活性最大，而培養(yǎng)18、24 h 的脲酶活性趨近于0。為了更具體地說明隨著時間的延長，脲酶活性的變化，對重金屬鎳單一污染情況下土壤中脲酶活性隨時間變化的情況進(jìn)行擬合（表1）。

從表1可以看出，在單一Ni2+污染的狀況下，Ni2+濃度在 30 mg/kg 時，隨著時間延長，脲酶的活性與污染時間呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較好，說明隨著時間的延長，脲酶活性逐漸增強;當(dāng)Ni2+濃度大于等于60 mg/kg時，脲酶活性均隨污染時間的延長而減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從圖2可以看出，在單一Mn2+污染下，脲酶活性均隨著污染時間的延長而增大。在作用6 h時，脲酶活性在各個濃度之間變化幅度較小;同一Mn2+濃度下，脲酶活性由大到小均為24 h>18 h>12 h>6 h。為了進(jìn)一步說明單一Mn2+污染時間與土壤脲酶活性的相關(guān)性，對Mn2+污染時間與土壤脲酶活性進(jìn)行擬合（表2）。

由表2可知，Mn2+污染時間與脲酶活性都呈正相關(guān)關(guān)系，這說明在試驗范圍內(nèi)，土壤脲酶的活性是隨著錳污染時間的延長逐漸增強的;但超出一定濃度后，隨著時間延長，脲酶活性增加的幅度逐漸減小。在Mn2+濃度為120 mg/kg，土壤脲酶活性隨污染時間延長的增加幅度最大，其相關(guān)系數(shù)也最大，Mn2+濃度為240 mg/kg時，土壤脲酶活性與污染時間的相關(guān)系數(shù)最小。

2.2 鎳錳復(fù)合污染對土壤脲酶活性的影響

從圖3-a可以看出，在復(fù)合污染的情況下，當(dāng)Ni2+濃度為30 mg/kg時，作用12、18、24 h時，隨著Mn2+濃度的增加，土壤脲酶活性均先增加后降低。作用6 h時，金屬離子對脲酶的影響較小，其趨勢與單一Mn2+污染相似。其原因可能是，在Ni2+濃度為30 mg/kg時，Mn2+對復(fù)合污染起主導(dǎo)作用，當(dāng)Mn2+濃度低于120 mg/kg或180 mg/kg時對脲酶活性有促進(jìn)作用，但超過120 mg/kg或180 mg/kg時，隨著Mn2+濃度的增大，土壤脲酶活性降低。

從圖3-b可以看出，在60 mg/kg Ni2+與不同濃度Mn2+組合的復(fù)合污染中，土壤脲酶活性的變化明顯變強。當(dāng)作用時間為24 h，Ni-Mn復(fù)合濃度為60 mg/kg-120 mg/kg時，脲酶活性最大，而隨著Mn2+濃度增大，作用24 h的脲酶活性變化幅度不大，說明在Ni-Mn復(fù)合污染下，當(dāng)Ni2+濃度為 60 mg/kg，作用時間為24 h時，Mn2+濃度的變化對酶活性沒有產(chǎn)生明顯影響。

從圖3-c可以看出，在Ni2+濃度為90 mg/kg時，隨著錳污染濃度的增大，作用24 h的土壤脲酶的活性先增加后降低，這說明Ni2+在此復(fù)合濃度中起主導(dǎo)作用，下降趨勢明顯。

當(dāng)Ni2+濃度為120 mg/kg時，單一鎳污染對脲酶活性具有很強的抑制作用。但從圖3-d可以看出，在Ni-Mn復(fù)合中，鎳濃度為120 mg/kg時，作用12、18、24 h時，隨著錳濃度的增加土壤脲酶活性均在Ni-Mn濃度為120 mg/kg-180 mg/kg 時最高;其后，隨著Mn2+濃度的增加，土壤脲酶活性降低。脲酶活性隨著重金屬離子濃度的增加有所回升然后再降低，此種現(xiàn)象被稱為抗性酶活性，認(rèn)為當(dāng)重金屬在土壤中達(dá)到一定濃度時，大部分微生物死亡，而小部分微生物在有毒物質(zhì)污染下能生存下來，自行繁殖，從而產(chǎn)生抗性酶活性，表觀上酶活性值降低后又增大，有時還會出現(xiàn)多個抗性峰[21]。

2.3 關(guān)于鎳錳復(fù)合污染濃度與土壤脲酶活性的變化分析

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，在相同的重金屬濃度和相同污染時間下，土壤脲酶活性表現(xiàn)為錳鎳復(fù)合污染>錳單一污染>鎳單一污染。大部分體系中，土壤脲酶的活性都隨著重金屬含量的增加而先增加后降低或持續(xù)降低;在鎳單一污染體系中，當(dāng)Ni2+濃度較低（0～30 mg/kg）時，土壤脲酶活性隨著污染時間的延長而增加;在錳單一污染和Ni-Mn復(fù)合污染體系中，土壤脲酶活性基本隨著污染時間的延長而增加。為了更清楚地了解Ni-Mn共存對土壤脲酶活性是否存在交互作用，計算了酶活性的凈變化量。從表3中可以看出，在不同的污染時間下，不同濃度的56個復(fù)合污染處理中ΔU>0的處理占總處理的90%以上，僅污染12 h，Ni-Mn濃度為30-60、30-90、30-240 mg/kg 和污染時間為18 h，Ni-Mn濃度為30-240 mg/kg 的ΔU<0。 說明鎳、錳同時污染土壤時存在較強的協(xié)同作用，使得土壤脲酶活性增強，且大部分在污染時間較長時，隨錳離子濃度增大，ΔU總體呈逐漸增大的趨勢。在污染24 h，Ni-Mn濃度為120-240 mg/kg時，ΔU最大，為 1.832，說明錳離子的濃度在對土壤脲酶活性的影響中可能起主導(dǎo)作用。

2.4 鎳錳復(fù)合金屬污染時間對脲酶活性的變化分析

為了進(jìn)一步分析復(fù)合重金屬污染的時間對土壤脲酶活性的影響，對重金屬鎳錳污染時間與土壤脲酶活性進(jìn)行擬合（表4）。

從表4可以看出，重金屬鎳錳復(fù)合污染時間與土壤脲酶的活性都呈正相關(guān)關(guān)系，且r2>0.95的處理占總處理的75%，說明隨著污染時間的延長對脲酶活性的刺激作用越來越強。當(dāng)鎳濃度不變，錳濃度小于等于180 mg/kg，隨著錳濃度的增大，污染時間與土壤脲酶活性的比例系數(shù)逐漸增大;而當(dāng)Mn2+濃度大于180 mg/kg的鎳錳復(fù)合污染時間與土壤脲酶活性的比例系數(shù)減小;當(dāng)Mn2+濃度不變，而Ni2+濃度增大或減小時，鎳錳復(fù)合污染時間與土壤脲酶活性的比例系數(shù)沒有呈規(guī)律性的變化，說明重金屬鎳錳復(fù)合污染時間的延長對土壤脲酶活性的影響以錳的作用為主導(dǎo)。

3 結(jié)論

單一鎳污染土壤，在Ni2+濃度小于等于30 mg/kg時對脲酶活性具有促進(jìn)作用，在Ni2+濃度大于30 mg/kg時對脲酶活性有抑制作用。單一錳污染土壤，在染毒時間為12、24 h，Mn2+濃度小于120 mg/kg時，Mn2+濃度的增加對脲酶活性具有促進(jìn)作用;在Mn2+濃度高于120 mg/kg時，Mn2+濃度的增加對脲酶活性具有抑制作用。

單一鎳污染土壤，在濃度等于30 mg/kg時，污染時間的延長對脲酶活性具有促進(jìn)作用，在高于30 mg/kg時，污染時間的延長對脲酶活性有抑制作用。單一重金屬錳污染土壤，在試驗濃度范圍內(nèi)，不論Mn2+濃度的高低，污染時間的延長均對脲酶活性具有促進(jìn)作用，但在高濃度時，其促進(jìn)作用減弱。

土壤脲酶活性在鎳錳復(fù)合污染作用下，Mn2+濃度對土壤脲酶活性的影響起主導(dǎo)作用，而隨著復(fù)合污染中Mn2+濃度的增大，大部分體系中土壤脲酶活性呈現(xiàn)先增高后減小或持續(xù)減小的趨勢，與單一重金屬Mn2+污染濃度對土壤脲酶活性的影響相似。隨著重金屬鎳錳復(fù)合污染時間的延長，土壤脲酶活性增大，重金屬鎳錳污染時間與脲酶的活性呈正相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋 偉，陳百明，劉 琳. 中國耕地土壤重金屬污染概況[J]. 水土保持研究，2013，20（2）：293-298.

[2]程根偉，余新曉，趙玉濤，等. 貢嘎山亞高山森林帶蒸散特征模擬研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，25（1）：23-27.

[3]線 郁，王美娥，陳衛(wèi)平. 土壤酶和微生物量碳對土壤低濃度重金屬污染的響應(yīng)及其影響因子研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報，2014，9（1）：63-70.

[4]楊春露，孫鐵珩，和文祥，等. 汞對土壤脲酶的抑制動力學(xué)研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，27（3）：454-457.

[5]盧冠男，夏夢潔，賈丹陽，等. 我國14種典型土壤脲酶、脫氫酶活性對汞脅迫的響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，34（7）：1788-1793.

[6]黃 娟，李 稹，張 健. 改良靛酚藍(lán)比色法測土壤脲酶活性[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（1）：102-107.

[7]滕 應(yīng)，駱永明，李振高. 土壤重金屬復(fù)合污染對脲酶、磷酸酶及脫氫酶的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2008，25（2）：147-152.

[8]孟慶峰，楊勁松，姚榮江，等. 單一及復(fù)合重金屬污染對土壤酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21（3）：545-550.

[9]蔡信德，仇榮亮，陳桂珠. 鎳污染對土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)[J]. 生態(tài)科學(xué)，2004，23（8）：273-277.

[10]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1999：12-212.

[11]劉恩峰，沈 吉，朱育新. 重金屬元素BCR提取法及在太湖沉積物研究中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（2）：57-60.

[12]關(guān)松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1986：23-35.

[13]周啟星. 復(fù)合污染生態(tài)學(xué)[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1995：56-58.

[14]王學(xué)鋒，尚 菲，劉修和，等. Cd、Ni單一及復(fù)合污染對土壤酶活性的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2014，8（9）：4027-4034.

[15]趙 峰，諶 斌，李明順. 錳及錳鎘復(fù)合污染對錳礦區(qū)茶園土壤酶活性的影響[J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，26（4）：128-131.

[16]田海霞，和文祥，喬 園，等. Hg的土壤酶效應(yīng)初步研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（5）：913-919.

[17]Bai L Y，Zheng X B，Li L F，et al. Effects of land use on heavy metal accumulation in soils and sources analysis[J]. Agricultural Sciences in China，2010，9（11）：1650-1658.

[18]羅 虹，劉 鵬，宋小敏. 重金屬鎘、銅、鎳復(fù)合污染對土壤酶活性的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2006，20（2）：94-96，121.

[19]王 新，周啟星. 土壤重金屬污染生態(tài)過程、效應(yīng)及修復(fù)[J]. 生態(tài)科學(xué)，2004，23（3）：278-281.

[20]楊志新，劉樹慶. Cd、Zn、Pb單因素及復(fù)合污染對土壤酶活性的影響[J]. 土壤與環(huán)境，2000，9（1）：15-18.

[21]孟慶峰，楊勁松，姚榮江，等. 單一及復(fù)合重金屬污染對土壤酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21（3）：545-550.王 華，郭小敏，胡冬南. 不同類型肥料對油茶幼林土壤微生物特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（7）：252-255.