模拟酸雨对砖红壤中的土壤酶活性的影响外文翻译资料

 2022-11-16 11:32:12

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模拟酸雨对砖红壤中的土壤酶活性的影响

林大炅1 黄钱春1 欧阳莹2

（1广东海洋大学农业环境资源部，中国广东张江市；2圣约翰河地区水资源管理部，美国 Palatka, FL；）

摘要:酸雨污染是一个严重的环境问题。本研究调查模拟酸雨对四种土壤酶的影响，即在砖红壤中的过氧化氢酶、酸性磷酸酶、脲酶、淀粉酶。砖红壤是一种酸性红壤和形成在热带雨林生物群落区。实验通过往土柱分别喷射PH为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和7.0的模拟酸雨，并且控制在20天以内。在模拟酸雨的影响下测定各种酶的活性。过氧化氢酶活性从开始到第五天迅速增加，第五天到第十五天略有下降，实验结束时大幅度下降，而酸性磷酸酶活性从开始到第五天迅速下降，从第五天到第十五天略微增加，在实验结束时急剧下降。在整个实验期间，可以观测到对于全部不同PH的模拟酸雨其脲酶的活性是降低的，然而淀粉酶活性从开始到第五天是上升的，第五天到第二十天是下降的。一般而言，过氧化氢酶、酸性磷酸酶、脲酶活性随模拟酸雨ph值的增加而增加。然而，淀粉酶活性在PH值为4.0时最强，当模拟酸雨PH值从4.0增加到5.0时或者从4.0下降到2.5时气活性随之下降。很显然，酸雨对砖红壤中的酶活性有不利的环境影响。我们的研究进一步揭示了模拟酸雨对土壤酶活性的影响是按照以下顺序：淀粉酶﹥过氧化氢酶﹥酸性磷酸酶﹥脲酶。这些发现对于在酸雨影响下更好地理解和管理自然土壤生物过程提供了依据。

关键词：酸雨 土壤酶 砖红壤 ph 中国南部

1引 言

酸雨是提高全球农业、生态和环境的问题。酸雨导致水里的鱼和植物死亡，如果我们吃这些鱼，喝这种水，并且购买由这些植物做成的食物，那么将会对我们人类有害（Menz and Seip, 2004）。带有二氧化硫、氮氧化合物以及氨的酸雨可以形成二次污染，例如颗粒物与形态氮可以与有机化合物反应导致臭氧的形成。气体,特别是二氧化硫和臭氧，可能会导致植被受损害。许多物质的腐蚀程度随着大气中的二氧化硫浓度的增加而增加(Menz and Seip, 2004)。

在中国,酸雨主要分布在长江以南、青藏高原东部、四川盆地。大约40％中国区域受到酸雨的影响。根据监控数据，对于在中国区域控制网内的84个城市中，酸雨年平均PH值低于5.6的城市有43个。在最近的几年里，PH值低于4.5的大区域酸雨出现在中国南部。根据中国南部广东省环境保护监测部门可知该省大约有50％的降水是酸雨，而且由于酸雨造成的直接经济损失达到44亿美元。总的来说，在中国酸雨是一个严重的问题(Bian and Yu, 1992; Larssen and Carmichael, 2000)，并且在大多数土壤都是酸性的中国南方尤其突出。

酸雨对土壤性质和自然生态系统的影响是一个越来越严重的环境问题。酸雨能够集合土壤中的碱性阳离子。在酸性水中的氢离子从它们的结合位点取代了阳离子，减少了阳离子交换量，并增加了土壤水分中这些阳离子的浓度(Brady, 1984; Liu et al., 1990)。在酸雨中带负电荷的硫酸盐和硝酸盐离子可以作为抗衡离子,使阳离子可以从土壤中过滤出来(Ivring, 1983)。通过一系列化学反应，像K 、Na 、Ca2 、和 Mg2 这些阳离子可以被滤去并且不能成为植物的营养元素。也有一些有毒离子如铝、铅、汞、镉和其他金属离子。这些离子通常被绑定到土壤颗粒的表明负电荷，并且可以被氢离子代替。酸雨也可以增加土壤中的硅酸盐矿物的风化作用，导致矿物结构受损并且降低土壤肥力。换句话说，酸雨增加酸性，释放营养、阳离子以及被注入在土壤中的有毒物质，从而导致植物营养缺乏,水资源污染和生态系统的损害。

土壤酶活性是土壤微生物代谢需求和有效养分的直接表达方式。这些活性与土壤理化性质、微生物群落结构、植被、干扰以及演替有关(Caldwell, 2005)。尽管在中国和全球的许多地方对于调查模拟酸雨对土壤阳离子、阴离子、养分以及有机质的影响付出了很多努力(Walna et al., 1998; Chen et al., 2001;Ling et al., 2007; Zhang et al., 2007)，一个综合的文献检索揭示了几个研究关注了酸雨对土壤酶活性的影响。Kang和Lee（1998）在一个实验里研究酸和氮沉降对土壤微生物活动的影响。这些作者发现通过与控制相比的全部酸性处理脱氢酶、磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性下降，而脲酶活性以PH值为4增加。结果表明，酸沉积会抑制微生物的活动。然而，需要更多的研究来阐明在不同土壤类型和不同环境条件的酶下酸雨对土壤酶活性的影响。

本研究的目的是确定模拟酸雨对中国南方砖红壤中的土壤酶活性的影响。砖红壤出现在全年都是高温多雨的热带雨林地区。气候条件使深层土壤剖面（20-30m）通过大量的化学风化作用而发展。这种土壤结构松散，在暴雨期间迅速流失，这导致营养物质和金属的流出。砖红壤通常分布在中国南方,如湖南、广东、广西、海南省以及在南亚和南美洲的热带雨林国家。这些区域的许多稻田从砖红壤中开发。

2 材料和方法

2.1 材料和酸雨的准备

从一个在中国用于实验并且位于广东省张江市湖光区的芒果花园收集上部20厘米的砖红壤。这种土壤ph值为4.68，有机质含量为21.03g/kg,一个阳离子交换量为18.79cmol/kg以及35.6％的盐基饱和度。分析从中国广东省广州化学试剂有限公司购买的纯硫酸、盐酸、硝酸和其他化学试剂。

在中国，酸雨主要由硫酸、硝酸和盐酸组成。并且其质量比为3.5:1.5:1.6，分别被用来准备储存酸溶液。通过稀释已电离的储备溶液分别在容量瓶内准备PH值为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0的模拟酸雨工作溶液。

2.2 酸雨对土壤柱的应用

一个内径为10厘米的塑料筒是用来获得一个20厘米的长土柱。通过1毫米筛子并且彻底混合的1000g风干土壤注入2厘米的圆筒，然后搅拌以防止分层。土壤柱用来处理体积密度为1.6g/cm3的土壤。在填满柱子之前和填满柱子之后，一张塑料过滤纸和两张过滤纸被放在圆柱的两端，以防止土壤的泄露（图1）。本研究进行了各自拥有一式三份的28个喷涂处理（即，5、10、15和20天的四个滤出周期以及PH值为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和7.0（控制）的7个层次）。为了反映自然降水条件，间歇入渗法被应用。即250毫升模拟酸雨每24小时以每分钟6立方厘米的速度缓慢地喷射到土柱的顶部。例如，在为期5天的实验中，模拟酸雨的总量为1250立方厘米。模拟酸雨溶液的总体积代表土壤样本收集地区的年平均降雨量。在土柱喷雾试验结束后，土柱中的土壤被用来进行酶活性分析。

通过每升0.02摩尔的高锰酸钾滴定法分析过氧化氢酶(Johnson 和 Temple,1964)，通过测量从修改过并且带有尿素的土壤中释放的氨基盐来决定脲酶的活性(Kandeler 和Gerber, 1988)，用Tabatabai 和 Bremner(1969)的程序来确定酸性磷酸酶的活性, 淀粉酶活性由基于水解淀粉的cole（1977）程序所决定。进行统计分析，例如检验法被用来比较受使用SAS8.1（表1）不同PH值的模拟酸雨影响的土壤酶活性的差异。

图1 实验装置的原理图

3 结果与讨论

3.1 模拟酸雨对过氧化氢酶的影响

过氧化氢酶是一种在几乎所有生物中都能发现的常见的酶，它们暴露于氧气下，能够使过氧化氢分解为水和氧气。过氧化氢酶是拥有最高周转率的酶之一，过氧化氢酶的一个分子每秒可以把数以百万的过氧化氢分子转化为水和氧气(Chelikani et al., 2004)。

图2显示了在7个不同PH值下模拟酸雨对过氧化氢酶活性的影响。在原始土壤中过氧化氢酶的活性最初为0.43(0.02 mol/L, KMnO4, mL/kg)。从开始到第五天对于全部的七种处理（每一种处理对应一种ph值）土壤中的过氧化氢酶活性迅速增加。在这个期间，当PH值是7.0时，过氧化氢酶活性最大增加了0.23(mol/ L, KMnO4, mL/kg),比原土大约高53％。对于所有6个不同ph值，其活性从第五天到第十五天略为下降，在实验的后期（20天）下降到土壤中最初酶活性之下。

在统计学上，第5、10和15天的模拟酸雨PH值下过氧化氢酶活性的差异具有重要意义（alpha;=0.01）。第5天ph值2.5和5.0之间最大活性差异为0.12(mol/ L, KMnO4,mL/kg),ph值为2.5下模拟酸雨对过氧化氢酶活性的影响具有深远意义。然而，在自然环境下，由于典型的酸雨PH值是从3.0到5.0(Menz and Seip, 2004)，所以这样的酸雨条件（PH2.5）是一个例外而不是一个规定的条件。总体而言，对于PH值从3.0到5.0的模拟酸雨而言，过氧化氢酶活性的差异不太明显。图2进一步表明，随着模拟酸雨PH值的增加过氧化氢酶活性也增加。结果显示对于这种酶酸雨是一种不利条件。

表1

实验结果的数据分析

图2 PH为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和7.0时砖红壤中过氧化氢酶活性的时间函数

图3 PH为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和7.0时砖红壤中酸性磷酸酶活性的时间函数

3.2 模拟酸雨对酸性磷酸酶的影响

磷酸酶是一种能够催化磷酸酯和磷酸酐水解的酶(Schmidt and Laskowski, 1961)。在土壤生态系统中,这些酶被认为在磷循环中扮演至关重要的角色(Dick et al .,2000)。酸性磷酸酶的活性与各种研究中的有机质(Aon Colaneri,2001)和土壤PH值有关(Martı acute;nez and Tabatabai, 1997)。到目前为止,很少有酸雨对土壤中磷酸酶活性的影响的研究。理解酸雨条件下磷酸酶活性的动力学条件对预测它们的相互作用至关重要，因为它们的活动可能反过来调节营养吸收和植物生长(Makoi and Ndakidemi, 2008)。

图3显示了在7个不同PH值下模拟酸雨对酸性磷酸酶活性的影响。在原始土壤中酸性磷酸酶的活性最初为150.38（phenol,mg/ kg,37℃, 24 h)。与过氧化氢酶的不同,从开始到第五天对于所有的全部7种处理土壤酸性磷酸酶活性迅速下降。在这个期间，当PH值是2.5时，酸性磷酸酶活性最大降低了48(mg phenol,kg-1, 37℃, 24 h),比原土大约低68％。对于所有7个不同PH值，其活性从第五天到第十五天略为增加，最后在实验的后期（20天）下降。在大约第15天，PH值为7.0时酸性磷酸酶的活性最大增加了175.5(mg phenol,kg-1, 37℃, 24 h)。很显然，砖红壤中酸性磷酸酶在资料降雨条件下活跃得多。

在统计学上，对于整个实验期间模拟酸雨PH值下酸性磷酸酶活性的变化具有重要意义（alpha;=0.01）。在第20天，在PH值2.5和5.0之间酸性磷酸酶活性最大差异大约为36（phenol,mg/ kg,37℃, 24 h)。与过氧化氢酶类似，酸性磷酸酶活性随模拟酸雨PH值的增加而增加。因此很明显酸雨对砖红壤中的酸性磷酸酶活性有不利的环境影响。

3.3 模拟酸雨对脲酶的影响

伴随着土壤PH的上升，脲酶能把尿素水解成氨和二氧化碳。通过氨气的挥发，这个反过来造成大气中氮得快速损失(Simpson and Freney, 1988)。更好地理解这种酶将对管理尿素的应用提供更有效的方式(Makoi and Ndakidemi, 2008)。

图4显示了在7个不同PH值下模拟酸雨对脲酶活性的影响。在原始土壤中脲酶的活性最初为63.57 (NH3-N,mg/kg,38℃,3 h)。随着时间流逝，对于所有7种处理土壤中聊酶活性迅速下降。例如，当PH值是5.0时第20天脲酶活

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