双龙沟废弃矿区不同造林年限人工沙棘林土壤重金属分布特征及其对酶活性的影响

doi:10.11686/cyxb2022374

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (8): 61-70.DOI: 10.11686/cyxb2022374

双龙沟废弃矿区不同造林年限人工沙棘林土壤重金属分布特征及其对酶活性的影响

宋达成¹^,²^,³(), 吴昊¹^,³(), 王理德¹^,²^,³, 王飞¹^,³, 张裕凯⁴, 赵学成⁴

^1.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州 730070
^2.甘肃省河西走廊森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃武威 733000
^3.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地，甘肃武威 733000
^4.甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心哈溪自然保护站，甘肃武威 733206

收稿日期:2022-09-16 修回日期:2022-10-17 出版日期:2023-08-20 发布日期:2023-06-16
通讯作者: 吴昊
作者简介:E-mail： wuhao4832@163.com
宋达成（1990-），男，甘肃兰州人，硕士。E-mail： songdc90@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(42167069);甘肃省青年科技基金(20JR10RA468)

Distribution of heavy metals and their effects on enzymatic activity in soil of artificial Hippophae rhamnoides forests of different ages near abandoned mines in Shuanglonggou

Da-cheng SONG¹^,²^,³(), Hao WU¹^,³(), Li-de WANG¹^,²^,³, Fei WANG¹^,³, Yu-kai ZHANG⁴, Xue-cheng ZHAO⁴

^1.Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China
^2.Gansu Hexi Corridor Forest Ecosystem National Research Station，Wuwei 733000，China
^3.State Key Laboratory Breeding Base of Desertification and Aeolian Sand Disaster Combating，Wuwei 733000，China
^4.Haxi Station of Qilian Mountain National Nature Reserve，Wuwei 733206，China

Received:2022-09-16 Revised:2022-10-17 Online:2023-08-20 Published:2023-06-16
Contact: Hao WU

摘要/Abstract

摘要：

以哈溪双龙沟废弃矿区周边3种不同造林年限人工沙棘林（造林2年、造林10年、对照荒地）为对象，采用时空互代法研究了废弃矿区周边不同恢复年限样地土壤重金属含量以及4种酶活性（蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶），同时分析了重金属元素与4种土壤酶活性的作用效应。结果表明，不同造林年限样地间土壤重金属含量变化总体保持一致，V、Mn、Ni、Cu、Sr、Ba等重金属含量下降了4.21%~26.84%，其中V、Mn、Sr、Ba含量随土层深度增加而增大，而Cu、Ni则在表层土壤含量较多；随着植物生长过程的推进，土壤蔗糖酶（SA）、碱性磷酸酶（APA）、过氧化氢酶（CA）和脲酶（UA）活性均值涨幅达到12.89%~255.29%，且呈明显的表聚现象；区域主要重金属含量和土壤酶活性之间表现出较强的负相关性，Sr是影响区域土壤酶活性变化的主要重金属驱动因子。该研究结果对于祁连山及其相似山区废弃矿区土壤修复具有一定的参考价值。

关键词: 植被恢复, 土壤, 重金属, 酶活性, 结构方程模型

Abstract:

In this study， we investigated the distribution of heavy metals derived from mining activities in forest soils， how they are affected by vegetation， and how they affect soil enzyme activity. The study sites consisted of two artificial Hippophae rhamnoides forests with different ages （2， 10 years） and a control （wasteland）， which were located near abandoned mines in Shuanglonggou， Haxi. We investigated the temporal and spatial substitution of heavy metals in the soil and the activity of four enzymes （sucrase， alkaline phosphatase， catalase and urease） in soil of forests of different ages located near abandoned mines. The heavy metal contents in soil were generally similar between the forests of different ages， but the contents of vanadium （V）， manganese （Mn）， nickel （Ni）， copper （Cu）， strontium （Sr）， and barium （Ba） were 4.21%-26.84% lower in forest soils than in CK soil. The concentrations of V， Mn， Sr， and Ba increased with soil depth， and the concentrations of Cu and Ni were relatively higher in surface soil. The activities of soil enzymes were higher in the more mature forest， with sucrase， alkaline phosphatase， catalase， and urease activities being 12.89%-255.29% higher in the 10-year-old forest soil than in the CK soil. There was a strong negative correlation between the regional heavy metal content and the activity of soil enzymes. Strontium was identified as the main driving factor for differences in soil enzymatic activity among sites. This research provides a reference for the treatment of soil around abandoned mines in Qilian Mountain and other similar areas.

Key words: vegetation restoration, soil, heavy metal, enzyme activity, structural equation model

宋达成, 吴昊, 王理德, 王飞, 张裕凯, 赵学成. 双龙沟废弃矿区不同造林年限人工沙棘林土壤重金属分布特征及其对酶活性的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(8): 61-70.

Da-cheng SONG, Hao WU, Li-de WANG, Fei WANG, Yu-kai ZHANG, Xue-cheng ZHAO. Distribution of heavy metals and their effects on enzymatic activity in soil of artificial Hippophae rhamnoides forests of different ages near abandoned mines in Shuanglonggou[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(8): 61-70.

图/表 6

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土层深度 Soil depth （cm）	恢复年限 Restoration years（a）	pH	容重 Bulk density （g·cm^-3）	氧化钠 Na₂O （%）	氧化镁 MgO （%）	氧化铝 Al₂O₃ （%）	二氧化硅 SiO₂ （%）	氧化钾 K₂O （%）	氧化钙 CaO （%）	氧化铁 Fe₂O₃ （%）
0~5	0	7.70	1.35±0.05a	3.28±0.01b	1.35±0.01a	10.03±0.02c	51.46±0.07b	1.75±0.00c	2.21±0.01a	3.17±0.00a
	2	7.89	1.22±0.05a	3.34±0.01a	1.30±0.01b	10.43±0.02b	52.29±0.07a	1.95±0.00b	1.47±0.01b	3.15±0.00b
	10	7.78	0.96±0.05b	2.48±0.01c	1.23±0.01c	10.89±0.02a	49.43±0.07c	2.35±0.00a	1.45±0.01c	3.00±0.00c
20~25	0	7.79	1.38±0.04a	3.44±0.01a	1.26±0.00a	9.39±0.02c	53.98±0.05b	1.58±0.00c	2.16±0.00a	3.15±0.01a
	2	7.89	1.27±0.05ab	3.39±0.01b	1.21±0.00b	9.70±0.02b	54.36±0.05a	1.79±0.00b	1.52±0.00b	2.97±0.01b
	10	7.77	1.22±0.04b	2.73±0.01c	1.08±0.00c	10.56±0.02a	52.24±0.05c	2.26±0.00a	1.41±0.00c	2.84±0.01c
40~45	0	7.69	1.36±0.05a	2.92±0.01b	1.26±0.01b	10.43±0.03a	50.82±0.14c	1.75±0.00b	2.01±0.00a	3.32±0.00a
	2	7.97	1.22±0.05a	3.53±0.01a	1.32±0.01a	9.81±0.03b	53.53±0.14a	1.69±0.00c	1.69±0.00b	3.01±0.00b
	10	7.85	1.23±0.05a	2.84±0.01c	1.11±0.01c	10.49±0.03a	52.65±0.14b	2.17±0.00a	1.51±0.00c	2.89±0.00c

土层深度 Soil depth （cm）	恢复年限 Restoration years（a）	pH	容重 Bulk density （g·cm^-3）	氧化钠 Na₂O （%）	氧化镁 MgO （%）	氧化铝 Al₂O₃ （%）	二氧化硅 SiO₂ （%）	氧化钾 K₂O （%）	氧化钙 CaO （%）	氧化铁 Fe₂O₃ （%）
0~5	0	7.70	1.35±0.05a	3.28±0.01b	1.35±0.01a	10.03±0.02c	51.46±0.07b	1.75±0.00c	2.21±0.01a	3.17±0.00a
	2	7.89	1.22±0.05a	3.34±0.01a	1.30±0.01b	10.43±0.02b	52.29±0.07a	1.95±0.00b	1.47±0.01b	3.15±0.00b
	10	7.78	0.96±0.05b	2.48±0.01c	1.23±0.01c	10.89±0.02a	49.43±0.07c	2.35±0.00a	1.45±0.01c	3.00±0.00c
20~25	0	7.79	1.38±0.04a	3.44±0.01a	1.26±0.00a	9.39±0.02c	53.98±0.05b	1.58±0.00c	2.16±0.00a	3.15±0.01a
	2	7.89	1.27±0.05ab	3.39±0.01b	1.21±0.00b	9.70±0.02b	54.36±0.05a	1.79±0.00b	1.52±0.00b	2.97±0.01b
	10	7.77	1.22±0.04b	2.73±0.01c	1.08±0.00c	10.56±0.02a	52.24±0.05c	2.26±0.00a	1.41±0.00c	2.84±0.01c
40~45	0	7.69	1.36±0.05a	2.92±0.01b	1.26±0.01b	10.43±0.03a	50.82±0.14c	1.75±0.00b	2.01±0.00a	3.32±0.00a
	2	7.97	1.22±0.05a	3.53±0.01a	1.32±0.01a	9.81±0.03b	53.53±0.14a	1.69±0.00c	1.69±0.00b	3.01±0.00b
	10	7.85	1.23±0.05a	2.84±0.01c	1.11±0.01c	10.49±0.03a	52.65±0.14b	2.17±0.00a	1.51±0.00c	2.89±0.00c

土层深度 Soil depth （cm）	恢复年限 Restoration years （a）	钒 V	铬 Cr	锰 Mn	镍 Ni	铜 Cu	锶 Sr	钡 Ba
0~5	0	66.80±0.89a	34.83±2.50a	461.23±1.19b	13.87±0.23b	24.33±0.32a	146.23±0.32a	609.80±5.55a
	2	67.63±0.71a	32.90±0.10a	505.40±2.76a	13.07±0.15c	23.90±0.46a	140.03±0.55b	539.10±11.62b
	10	59.13±1.46b	34.10±1.35a	441.97±2.46c	14.90±0.17a	19.63±0.21b	126.73±0.58c	488.67±6.10c
20~25	0	68.03±0.51a	30.47±0.83b	456.80±1.56a	13.47±0.31a	21.63±0.29a	149.03±0.67a	601.27±6.75a
	2	65.07±1.35b	29.00±1.01b	460.20±1.99a	12.27±0.21b	20.70±0.17b	139.63±0.46b	524.97±6.79b
	10	56.77±1.62c	32.30±0.76a	403.23±2.49b	13.40±0.10a	14.63±0.31c	128.40±0.44c	517.47±7.67b
40~45	0	72.70±1.60a	35.70±0.44a	502.27±1.19b	16.17±0.81a	23.70±0.40a	145.77±0.97a	557.10±3.13b
	2	68.27±0.50b	30.50±1.15b	509.37±0.51a	11.83±0.67c	23.60±0.63a	141.97±0.59b	553.53±2.45b
	10	59.47±1.74c	35.53±1.06a	402.30±2.19c	13.37±0.15b	16.70±0.20b	136.30±0.36c	574.90±12.00a

土层深度 Soil depth （cm）	恢复年限 Restoration years （a）	钒 V	铬 Cr	锰 Mn	镍 Ni	铜 Cu	锶 Sr	钡 Ba
0~5	0	66.80±0.89a	34.83±2.50a	461.23±1.19b	13.87±0.23b	24.33±0.32a	146.23±0.32a	609.80±5.55a
	2	67.63±0.71a	32.90±0.10a	505.40±2.76a	13.07±0.15c	23.90±0.46a	140.03±0.55b	539.10±11.62b
	10	59.13±1.46b	34.10±1.35a	441.97±2.46c	14.90±0.17a	19.63±0.21b	126.73±0.58c	488.67±6.10c
20~25	0	68.03±0.51a	30.47±0.83b	456.80±1.56a	13.47±0.31a	21.63±0.29a	149.03±0.67a	601.27±6.75a
	2	65.07±1.35b	29.00±1.01b	460.20±1.99a	12.27±0.21b	20.70±0.17b	139.63±0.46b	524.97±6.79b
	10	56.77±1.62c	32.30±0.76a	403.23±2.49b	13.40±0.10a	14.63±0.31c	128.40±0.44c	517.47±7.67b
40~45	0	72.70±1.60a	35.70±0.44a	502.27±1.19b	16.17±0.81a	23.70±0.40a	145.77±0.97a	557.10±3.13b
	2	68.27±0.50b	30.50±1.15b	509.37±0.51a	11.83±0.67c	23.60±0.63a	141.97±0.59b	553.53±2.45b
	10	59.47±1.74c	35.53±1.06a	402.30±2.19c	13.37±0.15b	16.70±0.20b	136.30±0.36c	574.90±12.00a

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双龙沟废弃矿区不同造林年限人工沙棘林土壤重金属分布特征及其对酶活性的影响

Distribution of heavy metals and their effects on enzymatic activity in soil of artificial Hippophae rhamnoides forests of different ages near abandoned mines in Shuanglonggou

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