毛乌素沙地火电厂周边不同类型生物结皮酶活性及其影响因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00011

摘要/Abstract

摘要：

选取宁东能源化工基地典型火电厂周边广泛分布的3类生物结皮作为研究对象，探究工矿区生物结皮富集大气降尘重金属对酶活性的影响及其影响深度，在对比分析富集大气降尘过程中土壤理化性质、酶活性及重金属含量变化的基础上，采用相关分析、冗余分析方法探讨了生物结皮各层次土壤酶活性与土壤重金属含量和土壤理化性质之间的相关关系。结果表明：（1）沿藻结皮—混生结皮—藓结皮的演替方向，结皮层土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）及全磷（TP）含量显著提升，土壤容重和pH降低；随土层深度增加，土壤理化性质变化不显著。（2）3类生物结皮对源自大气降尘的重金属元素均具有显著的表层富集作用，富集量藓结皮>混生结皮>藻结皮；结皮层重金属污染程度高于下层土壤。（3）4种土壤酶活性沿藻结皮—混生结皮—藓结皮的演替方向呈现一致的规律性，表现为藓结皮>混生结皮>藻结皮。（4）部分重金属元素Zn、Pb、Cd和土壤理化性质如容重、pH、SOC、TN等是影响土壤酶活性的主要因子，但相较于重金属元素，土壤理化性质对酶活性影响更大。

关键词: 生物结皮, 酶活性, 土壤养分, 重金属, 毛乌素沙地

Abstract:

To explore the heavy metals from atmospheric dust fall enriched by different biocrusts in mining area how influence the enzyme activities of biocrust and its subsoil， three types of biocrusts wide-spread area around typical thermal power station in Ningdong Energy Industrial Base were selected as study objects. Based on comparison analysis of the changes of soil physicochemical properties， and heavy metal contents during the process of the enrichment of atmospheric dust fall by biocrusts， the relationship between enzyme activities of biocrustal layer and subsoil and heavy metal contents， soil physicochemical properties were analyzed by using the methods of correlation analysis， redundancy analysis. The results indicated that：（1） Along with the succession direction of algal crust， mixed crust， and moss crust， the contents of soil organic carbon， total nitrogen， total phosphorus of biocrustal layers significantly increased， while bulk density and pH value decreased. （2） Biocrusts had significant surface enrichment effect on heavy metal elements derived from atmospheric dust fall， and demonstrated a consistent law among biocrusts of different types as followed Moss crust >Mixed crust >Algal crust. The geoaccumulation index evaluation results indicated that the heavy metal pollution level of biocrustal layers were higher than those of subsoils. （3） Along with the succession direction of algal crust， mixed crust， and moss crust， the activities of four kinds of enzymes exhibited a consistent order as followed Moss crust>Mixed crust>Algal crust. （4） Correlation and redundancy analysis indicated that heavy metals such as Zn， Pb， Cd and soil physicochemical properties such as soil organic matter， pH， bulk density， total nitrogen were the main factors that influencing the enzymatic activity of biocrusts. Compared with heavy metal pollution， soil physicochemical properties showed a bigger influence on soil enzyme activities.

Key words: biocrust, enzyme activity, soil nutrient, heavy metal, Mu Us Sandy Land

中图分类号:

Q948.1

王融融, 樊瑾, 丛士翔, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地火电厂周边不同类型生物结皮酶活性及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 209-219.

Rongrong Wang, Jin Fan, Shixiang Cong, Hailong Yu, Juying Huang. Enzyme activity characteristics and their influencing factors of different biocrusts around thermal plant in Mu Us Sandy Land[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(4): 209-219.

图/表 10

参考文献 53

1	熊秋林，肖红伟，程朋根，等.北京表层土壤重金属污染分布及大气沉降贡献［J］.生态环境学报，2021，30（4）：816-824.
2	Chen J， Tan M， Li Y，et al.Characteritics of trace elements and lead isotope ratios in PM_2.5 from four sites in Shanghai［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，156：36-43.
3	Duzgorcn-Aydin N S.Sources and characteristics of lead pollution in the urban environment of Guangzhou［J］.Science of the Total Environment，2007，385：182-195.
4	吴龙华，张长波，章海波，等.铅稳定同位素在土壤污染物来源识别中的应用［J］.环境科学，2009，30（1）：227-230.
5	Tian H Z， Cheng K， Wang Y.Temporal and spatial variation characteristics of atmospheric emissions of Cd，Cr and Pb from coal in China［J］.Atmospheric Environment，2012，50：157-163.
6	Wu Y， Streets D G， Wang S X，et al.Uncertainties in estimating mercury emissions from coal-fired power plants in China［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2010，9（6）：2937-2946.
7	Gupta A K， Dwivedi S， Sinha S，et al.Metal accumulation and growth performance of Phaseolus vulgaris grown in fly ash amended soil［J］.Bioresource Technology，2007，98（3）：3404-3407.
8	Manta D S， Angelone M， Bellanca A，et al.Heavy metals in urban soils： a case study from the city of Palermo （Sicily），Italy［J］.Science of the Total Environment，2002，300：229-243.
9	Kizilkaya R， Askin T， Bayrakli B，et al.Microbiological characteristics of soils contaminated with heavy metals［J］.European Journal of Soil Biology，2004，40：95-102.
10	Chen J L， Zheng C， Ruan J Z，et al.Cadmium bioavailability and accumulation in rice grain are controlled by pH and Ca in paddy soils with high geological background of transportation and deposition［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2021，106：92-98.
11	张元明，王雪芹.荒漠地表生物土壤结皮形成与演替特征概述［J］.生态学报，2010，30（16）：4484-4492.
12	Rodriguez-Caballero E， Belnap J， Büdel B，et al.Dryland photoautotrophic soil surface communities endangered by global change［J］.Nature Geoscience，2018，11（3）：185-189.
13	Belnap J， Weber B， Büdel B.Biological soil crusts as an organizing principle in drylands［M］//Cham.Biological Soil Crusts：An Organizing Principle in Drylands.Switzerland：Springer International Publishing，2016：3-13.
14	Li X R， Zhou H Y， Wang P，et al.The effects of sand stabilization and revegetation on cryptogam species diversity and soil fertility in the Tengger Desert，Northern China［J］.Plant and Soil，2003，251（2）：237-245.
15	Su Y G， Li X R， Zheng J G，et al.The effect of biological soil crusts of different successional stages and conditions on the germination of seeds of three desert plants［J］.Journal of Arid Environments，2009，73：931-936.
16	徐杰，敖艳青，张璟霞，等.沙地不同发育阶段的人工生物结皮对重金属的富集作用［J］.生态学报，2012，32（23）：7402-7410.
17	赵芷玉，律泽，魏炜，等.佳乐麝香与镉污染对土壤微生物和酶活性的影响［J］.农业环境科学学报，2021，40（8）：1738-1745.
18	Hsu M J， Selvaraj K， Agoramoorthy G.Taiwan's industrial heavy metal pollution threatens terrestrial biota［J］.Environmental Pollution，2006，143（2）：327-334.
19	腾应，黄昌勇，龙健，等.铜尾矿污染区土壤酶活性研究［J］.应用生态学报，2003，14（11）：1976-1980.
20	周正虎，王传宽.微生物对分解底物碳氮磷化学计量的响应和调节机制［J］.植物生态学报，2016，40（6）：620-630.
21	Li X R， Zhang Y M， Zhao Y G.A study of biological soil crusts： recent development，trend and prospect［J］.Advances in Earth Science，2009，24（1）：11-24.
22	邓杰文，石杨，李斌，等.微生物在沙化土壤修复中的应用研究进展［J］.应用与环境生物学报，2022，28（5）：1367-1374.
23	Zimmerman A R， Ahn M Y.Organovmineral-enzyme interaction and soil enzyme activity［M］//Shukla G，Varma A.Soil Enzymology.Berlin，Germany：Springer，2011：271-292.
24	Wang Z Q， Tian H X， Lu G N，et al.Catalytic efficiency is a better predictor of arsenic toxicity to soil alkaline phosphatase［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，148：721-148728.
25	Tian H X， Zhao Y M， Megharaj M，et al.Arsenate inhibition on kinetic characteristics of alkaline phosphatase as influenced by pH［J］.Ecological Indicators，2018，85：1101-1106.
26	智静，傅泽强，陈燕.宁东能源（煤）化工基地物质流分析［J］.干旱区资源与环境，2012，26（9）：137-142.
27	樊瑾，李诗瑶，杜雅仙，等.火电厂周边不同生物结皮细菌群落特征差异及其影响因素［J］.应用生态学报，2021，32（11）：4107-4118.
28	关松荫.土壤酶及其研究方法［M］.北京：中国农业科技出版社，1986：101-122.
29	李倩，秦飞，季宏兵，等.北京市密云水库上游金矿区土壤重金属含量、来源及污染评价［J］.农业环境科学学报，2013，32（12）：2384-2394.
30	邓霞，崔东，王兴磊，等.伊犁煤矿土壤重金属累积对土壤酶活性的影响［J］.环境化学，2018，37（7）：1554-1564.
31	中国环境监测总站.中国土壤元素背景值［M］.北京：中国环境科学出版社，1990.
32	徐杰，敖艳青，张璟霞.生物结皮对沙地生态系统大气沉降重金属污染的指示［M］.呼和浩特：内蒙古大学出版社，2012.
33	姚宏佳，王宝荣，安韶山，等.黄土高原生物结皮形成过程中土壤胞外酶活性及其化学计量变化特征［J］.干旱区研究，2022，39（2）：456-468.
34	张胜男，高海燕，闫德仁，等.沙漠生物土壤结皮演替对微生物群落结构和土壤酶活力的影响［J］.中国沙漠，2023，43（3）：178-187.
35	柯善文，席亚丽，牟佳美，等.地衣生态功能研究进展［J］.生态学杂志，2020，39（9）：3138-3146.
36	杨永胜，卜崇峰，高国雄.毛乌素沙地生物结皮对土壤温度的影响［J］.干旱区研究，2012，29（2）：352-359.
37	孙福海，肖波，李胜龙，等.黄土高原不同发育阶段生物结皮的导水和持水特征［J］.草业学报，2021，30（6）：54-63.
38	刘翔，周宏飞，刘昊，等.不同类型生物土壤结皮覆盖下风沙土的入渗特征及模拟［J］.生态学报，2016，36（18）：5820-5826.
39	罗成科，张佳瑜，肖国举，等.宁东基地不同燃煤电厂周边土壤5种重金属元素污染特征及生态风险［J］.生态环境学报，2018，27（7）：1285-1291.
40	赵彦敏.陕北黄土生物结皮种群特征及对土壤生物活性的影响［D］.北京：北京林业大学，2014.
41	Zhao Y G， Xu M X， Belnap J.Potential nitrogen fixation activity of different aged biological soil crusts from rehabilitated grasslands of the Hilly Loess Plateau，China［J］.Journal of Arid Environments，2010，74（10）：1186-1191.
42	Elbert W， Weber B， Burrows S，et al.Contribution of cryptogamic covers to the global cycles of carbon and nitrogen［J］.Nature Geoscience，2012，5（7）：459-462.
43	张国秀，赵允格，许明祥，等.黄土丘陵区生物结皮对土壤磷素有效性及碱性磷酸酶活性的影响［J］.植物营养与肥料学报，2012，18（3）：621-628.
44	Ghiloufi W， Seo J， Kim J，et al.Effects of biological soil crusts on enzyme activities and microbial community in soils of an arid ecosystem［J］.Microbial Ecology，2019，77（1）：201-216.
45	安韶山，黄懿梅，郑粉莉.黄土丘陵草地土壤脲酶活性特征及其与土壤性质的关系［J］.草地学报，2005，13（3）：233-237.
46	Yang H Y， Liu C Z， Liu Y M，et al.Impact of human trampling on biological soil crusts determined by soil microbial biomass，enzyme activities and nematode communities in a desert ecosystem［J］.European Journal of Soil Biology，2018，87：61-71.
47	Zhang B C， Zhou X B， Zhang Y M.Responses of microbial activities and soil physical-chemical properties to the successional process of biological soil crusts in the Gurbantunggut Desert，Xinjiang［J］.Journal of Arid Land，2015（1）：101-109.
48	Belnap J.Nitrogen fixation in biological soil crusts from southeast Utah，USA［J］.Biology and Fertility of Soils，2002，35：128-135.
49	王攀，朱湾湾，樊瑾，等.宁夏燃煤电厂周围降水降尘中硫氮沉降特征研究［J］.生态环境学报，2020，29（6）：1189-1197.
50	Khan S， Cao Q， Hesham A E，et al.Soil enzymatic activities and microbial community structure with different application rates of Cd and Pb［J］.Journal of Environmental Sciences，2007，19（7）：834-840.
51	Ciarkowska K， Sołek-Podwika K， Wieczorek J.Enzyme activity as an indicator of soil-rehabilitation processes at a zinc and lead ore mining and processing area［J］.Journal of Environmental Management，2014，132：250-256.
52	王广昊，孔星杰，孙彩丽，等.铅锌废渣场周边土地利用方式转变对土壤胞外酶活性的影响［J］.生态学杂志，2022，41（6）：1166-1172.
53	牛玉斌，樊瑾，李诗瑶，等.宁东能源工业基地表层土壤粒径分布、养分、重金属含量与大气降尘的关联性［J］.水土保持通报，2020，40（4）：91-99.

生物结皮类型	厚度/mm	覆盖度/%	优势种	生物量/(mg·g^-1)
藻结皮	4.50±0.31^a	82	具鞘微鞘藻(Microcolus vaginatus)、念珠藻(Nostoc commune Vauch)、隐头舟形藻(Navicula cryptocephala)	11.23±0.05^a
混生结皮	5.53±0.34^b	86	具鞘微鞘藻、念珠藻、石果衣（Endocarpon pusillum）、糙聚盘衣（Glypholecia scabra）	18.15±0.01^b
藓结皮	7.73±0.49^c	74	真藓(Bryum argenteum Hedw)、土生对齿藓(Didymodon vinealis)、盐土藓(Pterygoneurum subsessile)、厚肋流苏藓(Crossidium crassinerve)	31.07±0.02^c

生物结皮类型	厚度/mm	覆盖度/%	优势种	生物量/(mg·g^-1)
藻结皮	4.50±0.31^a	82	具鞘微鞘藻(Microcolus vaginatus)、念珠藻(Nostoc commune Vauch)、隐头舟形藻(Navicula cryptocephala)	11.23±0.05^a
混生结皮	5.53±0.34^b	86	具鞘微鞘藻、念珠藻、石果衣（Endocarpon pusillum）、糙聚盘衣（Glypholecia scabra）	18.15±0.01^b
藓结皮	7.73±0.49^c	74	真藓(Bryum argenteum Hedw)、土生对齿藓(Didymodon vinealis)、盐土藓(Pterygoneurum subsessile)、厚肋流苏藓(Crossidium crassinerve)	31.07±0.02^c

样品	土层	黏粒 /%	粉粒 /%	砂粒 /%	容重 /(g·cm^-3)	有机碳 /(g·kg^-1)	全氮 /(g·kg^-1)	全磷 /(g·kg^-1)	pH
藻结皮	结皮层	7.82±1.39^Aa	47.31±2.94^Aa	44.88±3.05^ABa	1.12±0.05^Aa	14.75±0.38^Aa	1.30±0.06^Aa	0.54±0.05^Aa	8.35±0.01^Aa
	0~5 cm	5.76±0.16^Ba	47.23±4.05^Aa	47.00±4.19^ABa	1.27±0.01^Bab	3.88±0.55^Ba	0.80±0.06^Ba	0.46±0.02^ABa	8.72±0.02^Ba
	5~10 cm	4.55±0.29^Ba	44.30±0.41^Aab	51.15±0.53^Aa	1.39±0.05^Ba	3.68±0.27^Ba	0.77±0.04^Ba	0.39±0.02^ABa	8.82±0.06^Ba
	10~20 cm	7.78±2.87^Aa	49.34±3.57^Aa	42.88±2.89^Ba	1.41±0.06^Bb	3.45±0.19^Ba	0.83±0.04^Ba	0.32±0.06^Ba	8.74±0.13^Ba
混生结皮	结皮层	4.96±0.18^Ab	48.47±0.50^ABa	46.57±0.59^Aa	1.10±0.03^Aa	15.82±1.42^Aa	1.42±0.10^Aa	0.58±0.02^Aa	8.37±0.03^Aa
	0~5 cm	4.42±0.17^Aa	43.13±1.22^Bab	52.45±1.39^Ba	1.33±0.03^Ba	4.55±0.10^Ba	0.82±0.03^Ba	0.47±0.01^Ba	8.99±0.01^Bb
	5~10 cm	4.34±0.18^Aa	46.83±1.46^ABa	48.84±1.47^ABa	1.30±0.05^Bb	4.64±0.42^Ba	0.77±0.07^Ba	0.40±0.01^Ca	9.03±0.04^Bb
	10~20 cm	5.71±0.91^Aa	49.31±2.67^Aa	44.98±3.58^Aa	1.36±0.04^Bb	4.27±0.21^Ba	0.72±0.05^Ba	0.37±0.02^Da	8.84±0.05^Ba
藓结皮	结皮层	3.97±0.22^Ab	46.98±0.43^Aa	49.05±0.54^Aa	1.05±0.01^Aa	23.67±2.64^Ab	1.89±0.21^Aa	0.79±0.01^Ab	8.22±0.09^Ab
	0~5 cm	5.50±0.91^Aa	41.32±0.78^Ab	53.19±1.45^Aa	1.18±0.04^Bb	4.80±0.25^Ba	0.95±0.05^Ba	0.51±0.05^Ba	8.83±0.09^Bab
	5~10 cm	8.36±4.43^ABb	40.71±2.32^Ab	50.94±5.50^Aa	1.34±0.05^Bb	4.29±0.25^Ba	1.04±0.07^Bb	0.42±0.01^BCa	9.02±0.07^Bb
	10~20 cm	14.17±8.85^Bb	46.46±3.70^Aa	39.38±5.94^Ba	1.37±0.06^Bb	4.68±0.68^Ba	0.88±0.05^Ba	0.36±0.03^Ca	8.95±0.13^Ba

样品	土层	黏粒 /%	粉粒 /%	砂粒 /%	容重 /(g·cm^-3)	有机碳 /(g·kg^-1)	全氮 /(g·kg^-1)	全磷 /(g·kg^-1)	pH
藻结皮	结皮层	7.82±1.39^Aa	47.31±2.94^Aa	44.88±3.05^ABa	1.12±0.05^Aa	14.75±0.38^Aa	1.30±0.06^Aa	0.54±0.05^Aa	8.35±0.01^Aa
	0~5 cm	5.76±0.16^Ba	47.23±4.05^Aa	47.00±4.19^ABa	1.27±0.01^Bab	3.88±0.55^Ba	0.80±0.06^Ba	0.46±0.02^ABa	8.72±0.02^Ba
	5~10 cm	4.55±0.29^Ba	44.30±0.41^Aab	51.15±0.53^Aa	1.39±0.05^Ba	3.68±0.27^Ba	0.77±0.04^Ba	0.39±0.02^ABa	8.82±0.06^Ba
	10~20 cm	7.78±2.87^Aa	49.34±3.57^Aa	42.88±2.89^Ba	1.41±0.06^Bb	3.45±0.19^Ba	0.83±0.04^Ba	0.32±0.06^Ba	8.74±0.13^Ba
混生结皮	结皮层	4.96±0.18^Ab	48.47±0.50^ABa	46.57±0.59^Aa	1.10±0.03^Aa	15.82±1.42^Aa	1.42±0.10^Aa	0.58±0.02^Aa	8.37±0.03^Aa
	0~5 cm	4.42±0.17^Aa	43.13±1.22^Bab	52.45±1.39^Ba	1.33±0.03^Ba	4.55±0.10^Ba	0.82±0.03^Ba	0.47±0.01^Ba	8.99±0.01^Bb
	5~10 cm	4.34±0.18^Aa	46.83±1.46^ABa	48.84±1.47^ABa	1.30±0.05^Bb	4.64±0.42^Ba	0.77±0.07^Ba	0.40±0.01^Ca	9.03±0.04^Bb
	10~20 cm	5.71±0.91^Aa	49.31±2.67^Aa	44.98±3.58^Aa	1.36±0.04^Bb	4.27±0.21^Ba	0.72±0.05^Ba	0.37±0.02^Da	8.84±0.05^Ba
藓结皮	结皮层	3.97±0.22^Ab	46.98±0.43^Aa	49.05±0.54^Aa	1.05±0.01^Aa	23.67±2.64^Ab	1.89±0.21^Aa	0.79±0.01^Ab	8.22±0.09^Ab
	0~5 cm	5.50±0.91^Aa	41.32±0.78^Ab	53.19±1.45^Aa	1.18±0.04^Bb	4.80±0.25^Ba	0.95±0.05^Ba	0.51±0.05^Ba	8.83±0.09^Bab
	5~10 cm	8.36±4.43^ABb	40.71±2.32^Ab	50.94±5.50^Aa	1.34±0.05^Bb	4.29±0.25^Ba	1.04±0.07^Bb	0.42±0.01^BCa	9.02±0.07^Bb
	10~20 cm	14.17±8.85^Bb	46.46±3.70^Aa	39.38±5.94^Ba	1.37±0.06^Bb	4.68±0.68^Ba	0.88±0.05^Ba	0.36±0.03^Ca	8.95±0.13^Ba

样品	土层	Hg/(mg·kg^-1)	Pb/(mg·kg^-1)	As/(mg·kg^-1)	Cd/(mg·kg^-1)	Cr/(mg·kg^-1)	Zn/(mg·kg^-1)
藻结皮	结皮层	0.076±0.01^ab	16.200±0.32^ab	13.190±0.31^ab	0.281±0.02^a	52.732±1.96^a	39.507±0.97^a
	0~5 cm	0.072±0.01^a	13.332±0.68^a	12.802±0.41^a	0.131±0.02^a	52.566±2.07^a	32.086±0.71^a
	5~10 cm	0.071±0.00^a	12.681±0.05^a	11.926±0.30^a	0.105±0.00^a	48.902±0.16^a	31.047±0.71^a
	10~20 cm	0.070±0.00^a	12.713±0.33^a	11.543±0.28^a	0.103±0.00^a	50.147±2.35^a	31.040±0.60^a
混生结皮	结皮层	0.079±0.01^ab	18.776±0.12^b	15.952±1.53^a	0.327±0.01^a	56.935±2.70^a	41.262±0.22^ab
	0~5 cm	0.078±0.01^ab	13.244±0.33^a	14.498±1.38^a	0.126±0.00^a	53.631±2.00^a	31.765±0.84^a
	5~10 cm	0.070±0.00^a	12.701±0.24^a	12.766±0.34^ab	0.101±0.00^a	53.162±0.88^a	31.707±0.70^a
	10~20 cm	0.074±0.00^ab	12.402±0.53^a	12.133±0.36^a	0.099±0.00^a	52.302±2.03^a	30.861±0.71^a
藓结皮	结皮层	0.095±0.01^a	19.638±1.37^b	16.627±3.11^a	0.409±0.08^a	57.063±3.01^a	44.412±2.16^b
	0~5 cm	0.092±0.01^b	13.177±0.18^a	14.782±3.57^a	0.136±0.01^a	52.936±0.97^a	32.313±0.42^a
	5~10 cm	0.080±0.04^a	11.663±0.52^b	14.063±0.51^b	0.105±0.00^a	49.778±1.53^a	30.041±0.48^b
	10~20 cm	0.079±0.00^b	11.816±0.90^a	11.470±0.11^a	0.102±0.00^a	48.540±3.80^a	32.144±1.68^a
风沙土背景值^[31]/(mg·kg^-1)		0.016	13.8	4.3	0.044	24.8	29.8
宁夏土壤环境背景值^[31]/(mg·kg^-1)		0.021	20.6	11.9	0.112	60.0	58.8