千渭濕地典型植被土壤及水質(zhì)分析

魏 華 楊 金 李 濤 蘇少峰 王 璐 成軍鋒

（1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710061；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.寶雞千渭之會(huì)濕地公園管理處，陜西 寶雞 721004 ）

城市濕地公園集城市、濕地、公園為一體，是一個(gè)十分完整的生態(tài)系統(tǒng)。土壤酶活性是反映土壤微生物群落生態(tài)功能的重要指標(biāo)。陜西省寶雞市千渭之會(huì)國(guó)家濕地（以下簡(jiǎn)稱“千渭濕地”）公園于2017 年竣工，其對(duì)保護(hù)、恢復(fù)渭河、千河濕地環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展，維持生物多樣性具有重要意義。因千渭濕地剛建成不久，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此區(qū)域的土壤酶活性、總碳、總有機(jī)碳及水質(zhì)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。開(kāi)展?jié)竦赝寥兰八|(zhì)理化研究對(duì)于深入理解千渭濕地土壤能量流動(dòng)、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成等過(guò)程具有重要意義。本研究選取千渭濕地中的香蒲（Typha ovientalis）、白茅（Imperata cylindrica）兩種典型植物底泥樣品，以及污水口的底泥樣品、農(nóng)田土壤樣品，采用土壤及水質(zhì)常規(guī)分析方法檢測(cè)四個(gè)樣本之間的酶活性、總碳、總有機(jī)碳及水質(zhì)差異，為人工濕地中植物選擇優(yōu)化及評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1.材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

千渭濕地地理坐標(biāo)為107o13′-107o20′E，34o19′-34o28′N，位于陜西省寶雞市東部千河與渭河交匯處，屬大陸性季風(fēng)氣候類型，四季分明。公園總面積1864.0 公頃，濕地面積1716.3公頃，占總面積的92.1%。海拔540-615米，年平均氣溫為7.6℃-12.9℃。年平均相對(duì)濕度為68%-72%，氣候偏干旱。區(qū)域內(nèi)以蘆葦、香蒲、白茅、水蔥、荷花等組成優(yōu)勢(shì)水生及濕生植物。

1.2 樣品采集

于2020 年7 月夏季（植物生長(zhǎng)旺季），選取千渭濕地內(nèi)香蒲、白茅兩種典型植物底泥樣品，以及污水口的底泥樣品、農(nóng)田土壤樣品作為研究對(duì)象。每個(gè)地區(qū)選取3 塊底泥或土壤作為重復(fù)樣本，各樣本混合均勻。將各樣品去雜風(fēng)干過(guò)篩后，用于理化性質(zhì)的測(cè)定。在香蒲濕地和白茅濕地的下游也進(jìn)行同步取樣，采集3 份表層水樣，及時(shí)對(duì)水樣進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.3 樣品理化分析

對(duì)4 份樣品進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)6 次，取平均值。土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，土壤過(guò)氧化氫酶活性采用容量法測(cè)定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，土壤總碳、有機(jī)碳均采用土壤常規(guī)分析方法。水質(zhì)采用哈希多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測(cè)；化學(xué)需氧量、氨氮、總氮分別采用重鉻酸鉀法（GB11914-89）、蒸餾-中和滴定法（HJ7479-87）、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894-89）進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 土壤或底泥真菌基因組DNA 提取、PCR 擴(kuò)增

采用CTAB 方法提取土壤或樣品的基因組DNA[4],使用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的純度和濃度后，使用無(wú)菌水將DNA 稀釋至1 ng/μl。使用帶Barcode 的ITS5-1737F（GGAAGTAAAAGTCGTAAC AAGG） 和ITS2-2043R（GCTGCGTTCTTCATCGA TGC）引物擴(kuò)增真菌ITS1 區(qū)。擴(kuò)增程序?yàn)椋?8℃預(yù)變性1 min；30 個(gè)循環(huán)包括（98℃變性10s，50℃退火30 s，72℃延伸30 s）；循環(huán)結(jié)束后72℃延伸5 min。擴(kuò)增體系為30 μl: 2× Phusion Master Mix 15μl,3μl Prime（2μmol/L），DNA 10μl，超純水2μl。

1.5 文庫(kù)構(gòu)建與上機(jī)測(cè)序

使用TruSeq DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫(kù)試劑盒進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建后，采用Qubit 和qPCR 定量，檢測(cè)合格后利用Illumina NovaSeq 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用FLASH、QIIME、MOTHUR 等軟件獲得高質(zhì)量序列，用Uparse 軟件以97%相似度劃分OTU,同時(shí)對(duì)OTUs 代表序列進(jìn)行物種注釋。應(yīng)用EXCEL 2016、SPSS 23.0 軟件及Mothur、QIIME 軟件計(jì)算土壤及底泥樣品真菌Alpha 多樣性指數(shù)。

2.結(jié)果與分析

2.1 底泥或土壤理化分析

?

通過(guò)對(duì)千渭濕地不同底泥及土壤樣品的理化性質(zhì)分析，蔗糖酶活性農(nóng)田＞香蒲＞白茅＞污水口，且這四者存在顯著差異（P ＜ 0.05）；過(guò)氧化氫酶活性污水口＞香蒲＞農(nóng)田＞白茅，四者也存在顯著差異（P ＜ 0.05）；磷酸酶活性香蒲＞農(nóng)田＞污水口＞白茅，污水口與白茅之間沒(méi)有顯著差異（P ＞ 0.05）；總碳含量香蒲＞農(nóng)田＞污水口＞白茅，污水口與白茅之間沒(méi)有顯著差異（P ＞ 0.05）；總有機(jī)碳含量香蒲＞農(nóng)田＞白茅＞污水口，污水口與白茅之間沒(méi)有顯著差異（P ＞ 0.05）。磷酸酶活性的大小順序與總碳含量的大小順序相一致。

香蒲、污水口底泥及農(nóng)田土壤樣本之間，蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、總碳、總有機(jī)碳均存在顯著差異，且香蒲與白茅的底泥樣本之間蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、總碳、總有機(jī)碳也均存在顯著差異（P ＜ 0.05）。農(nóng)田土壤中的蔗糖酶活性及磷酸酶活性分別是污水口底泥的10倍和4 倍多；相反，污水口底泥的過(guò)氧化氫酶活性是農(nóng)田土壤的1.7 倍。在白茅和香蒲濕地中，兩者的蔗糖酶活性均比農(nóng)田低，而比污水口高。香蒲濕地的磷酸酶活性、總碳含量、總有機(jī)碳含量也均高于白茅濕地、污水口和農(nóng)田。

2.2 水質(zhì)分析

?

由表2 可以看出，千渭濕地水質(zhì)的pH 值為7.66 、化學(xué)需氧量為13mg/L、氨氮的檢測(cè)值為1.395mg/L、總氮檢測(cè)值為8.35mg/L，均符合標(biāo)準(zhǔn)限值。表明千渭濕地的水體中，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮的含量都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 底泥或土壤真菌ACE 指數(shù)分析

4 個(gè)樣品真菌群落的ACE 指數(shù)值，如圖1 所示。白茅濕地、香蒲濕地、農(nóng)田土壤的ACE 指數(shù)分別為：2146.55、2188.59、1285.08，排污口的ACE 指數(shù)值最低為1174.83。真菌群落ACE 指數(shù)值在白茅濕地與香蒲濕地之間沒(méi)有顯著差異（P ＞ 0.05）；農(nóng)田土壤與排污口底泥ACE 指數(shù)值也沒(méi)有顯著差異（P ＞ 0.05）；兩個(gè)濕地ACE指數(shù)值均與農(nóng)田土壤、排污口底泥之間存在顯著差異（P＜ 0.05）。

圖1 ACE指數(shù)的組間差異

3.討論

3.1 底泥理化分析

過(guò)氧化氫酶廣泛存在于土壤和生物體內(nèi)，能有效防止土壤代謝過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫對(duì)生物體造成的毒害。蔗糖酶可以把土壤中的高分子量的蔗糖分解成能夠被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖、果糖。蔗糖酶能為土壤生物體提供充分能源，其活性反映了土壤有機(jī)碳累積與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律。

本研究，排污口沒(méi)有植物生長(zhǎng)，過(guò)氧化氫酶活性高，可有效防止底泥中過(guò)氧化氫對(duì)下游植物體造成的毒害。過(guò)氧化酶活性過(guò)高也不適合微生物生長(zhǎng)和繁殖，這也就能夠解釋在濕地公園中栽種植物的重要性和必要性。土壤中的磷酸酶參與土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，積累的磷酸酶對(duì)土壤磷素的有效性具有重要意義。本文研究發(fā)現(xiàn)，因香蒲濕地、白茅濕地及污水口，三處采樣點(diǎn)的底泥樣品常年處于淹水和厭氧環(huán)境，而農(nóng)田未處于此狀態(tài)，所檢測(cè)的蔗糖酶活性農(nóng)田中最高?？梢哉f(shuō)明，蔗糖酶活性大小，與樣品所處的環(huán)境有關(guān)。

本研究中，香蒲濕地底泥中不僅過(guò)氧化氫酶及磷酸酶活性顯著高于其他樣品，且總碳、總有機(jī)碳含量也明顯高于其他樣品。有研究表明，蘆葦濕地底泥過(guò)氧化氫酶活性與底泥中有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)不僅是其他養(yǎng)分的重要來(lái)源和儲(chǔ)藏場(chǎng)所，也是過(guò)氧化氫酶的來(lái)源和儲(chǔ)藏地，這與我們的研究結(jié)果相一致。

有機(jī)碳既可以作為土壤酶的底物，又可以為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供碳源，因此，土壤有機(jī)碳的含量對(duì)微生物多樣性和酶活性的高低均有影響。有機(jī)碳可以有效改善土壤理化性質(zhì)及調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)，是評(píng)價(jià)土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有很大關(guān)系，有機(jī)質(zhì)含量高土壤，其土壤較為疏松多孔，滲透性能好抗蝕性會(huì)增高。本研究中，香蒲底泥的有機(jī)碳含量最高，其底泥的肥力及抗蝕性也也較其他樣品高。

不同植物種類土壤滲透性存在較大差異，這主要是受植物根系分布和結(jié)構(gòu)特征的影響。植物根系能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的非毛管孔隙度，減小土壤容重，提高土壤入滲性能。白茅和香蒲兩種植物，它們的根系通過(guò)數(shù)量龐大的分支在底泥中穿插串聯(lián)土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度和有機(jī)碳含量。白茅為多年生根莖禾草，繁殖能力強(qiáng)，對(duì)貧瘠、干旱及中輕度鹽漬化土壤均有較強(qiáng)的適應(yīng)性，是C4 植物。白茅主根和側(cè)根都極其發(fā)達(dá)，地下根系較長(zhǎng)且細(xì)根發(fā)達(dá)，地上部分也較發(fā)達(dá)，因此，白茅在土壤中的滲透性都較高。

3.2 水質(zhì)理化分析

千渭濕地選用目前較為廣泛的沙粒、沙土、石塊等透水性基質(zhì)，為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的附著表面，也為水生植物提供載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本研究，因在夏季采樣，氣溫較高，植物生長(zhǎng)旺盛，可以更好地截留、過(guò)濾顆粒物質(zhì)，濕地植物光合作用產(chǎn)生的氧氣輸送至根部，也會(huì)促進(jìn)微生物進(jìn)一步對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解。我們所測(cè)的COD 值為13，達(dá)到地表V 類標(biāo)準(zhǔn)要求（40mg/L）。

人工濕地對(duì)氨氮的去除機(jī)理主要是微生物的硝化作用，吸附的氮元素通過(guò)反硝化作用將其去除。反硝化作用將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，氮元素最終以氣態(tài)形式從濕地中去除。人工濕地對(duì)總氮的去除機(jī)理同氨氮，即微生物將硝酸鹽和煙硝酸鹽氮還原成氮?dú)?。夏季植物生長(zhǎng)較為茂盛，硝化細(xì)菌較為活躍，協(xié)同作用有利于氮的去除。

千渭濕地的水體中，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮的含量都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污染物穩(wěn)定、高效的去除效果，有效改善了景觀湖河道水質(zhì)，發(fā)揮了濕地的凈化功能，充分發(fā)揮其美化環(huán)境，增加水源、改善生態(tài)環(huán)境的作用，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域水系的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，本課題研究了千渭濕地不同采樣點(diǎn)土壤酶、有機(jī)碳及總碳，對(duì)比了不同底泥或土壤樣品間土壤酶、有機(jī)碳、總碳及有機(jī)碳差異，主要探究土壤及水質(zhì)理化性質(zhì)與碳、氮循環(huán)相關(guān)的變化特征，著力揭示千渭濕地不同植被對(duì)水質(zhì)凈化的響應(yīng)機(jī)制。以期為篩選人工濕地植物和生態(tài)修復(fù)提供重要理論依據(jù)。今后，我們還將會(huì)從底泥植物根系分泌物、物質(zhì)代謝、微生物群落等多種角度認(rèn)識(shí)不同植物根區(qū)之間的差異，從而更全方面地了解千渭濕地的微環(huán)境系統(tǒng)。