不同鎘濃度下綠穗莧根際環(huán)境特征與鎘形態(tài)分布

鄧玉蘭，徐小遜，張世熔，蒲玉琳，張馳強(qiáng)，霍慶霖，董袁媛（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都611130）

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不同鎘濃度下綠穗莧根際環(huán)境特征與鎘形態(tài)分布

鄧玉蘭，徐小遜*，張世熔，蒲玉琳，張馳強(qiáng)，霍慶霖，董袁媛
（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都611130）

摘要：為了解鎘（Cd）富集植物根際環(huán)境對(duì)鎘的活化和耐受作用，通過(guò)土壤盆栽試驗(yàn)，研究了Cd脅迫下綠穗莧根際環(huán)境特征變化和鎘形態(tài)分布。研究表明：綠穗莧根際pH低于非根際，并隨Cd濃度升高總體呈下降趨勢(shì)；根際DOC含量高于非根際，且隨著Cd濃度的增加呈逐漸上升趨勢(shì)。隨著Cd濃度的升高，綠穗莧根際土壤交換態(tài)Cd所占比例上升，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd所占比例先升高后降低，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd、有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd和殘?jiān)鼞B(tài)Cd所占比例均逐漸降低。各處理根際土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性均高于非根際，根際土壤脲酶和磷酸酶活性均隨處理濃度升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性隨處理濃度升高持續(xù)下降。結(jié)果表明，Cd脅迫下綠穗莧根際pH和DOC的變化對(duì)Cd活化具有重要作用，根際土壤酶活性特征表明其對(duì)Cd毒性有一定的緩解作用。

關(guān)鍵詞：根際環(huán)境；DOC；Cd形態(tài)；土壤酶活性

鄧玉蘭，徐小遜，張世熔,等.不同鎘濃度下綠穗莧根際環(huán)境特征與鎘形態(tài)分布[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35（2）：288-293.

近年來(lái)，隨著開(kāi)礦、施肥、冶煉、電鍍和電池制造等生產(chǎn)活動(dòng)的加劇，土壤中Cd含量明顯上升，土壤Cd污染日益嚴(yán)重[1-3]。我國(guó)Cd及其他重金屬污染的土壤面積已占總耕地面積的20%[4-5]。土壤重金屬污染修復(fù)方法有多種，植物提取法因其環(huán)境友好、成本較低日益受到重視。該方法主要利用富集或超富集植物將土壤中的重金屬元素轉(zhuǎn)移到植物地上部，并通過(guò)回收達(dá)到降低或去除土壤中重金屬的效果[6]。然而，Cd在土壤中的活性不高，很難被一般植物吸收，富集植物能夠有效地吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集土壤中的Cd，表明其存在活化Cd的機(jī)制。

根際環(huán)境中土壤pH、溶解性有機(jī)碳（DOC）和土壤酶等根際特征的變化與Cd活化有密切關(guān)系[7]。降低pH和增加DOC含量可增加土壤中重金屬的溶解和釋放，促進(jìn)有機(jī)-絡(luò)合物的形成，提高其生物有效性[8-9]。土壤酶參與土壤中的各個(gè)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，在土壤養(yǎng)分循環(huán)利用、降解土壤有毒物質(zhì)和消除土壤污染方面起重要作用，如脲酶、過(guò)氧化物酶和磷酸酶等對(duì)重金屬比較敏感，可指示土壤中重金屬毒性的大小[10-11]。Cd形態(tài)與其生物有效性有密切關(guān)系，Wei等[12]研究發(fā)現(xiàn)球果蔊菜根際交換態(tài)Cd含量低于非根際，根際交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd向鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)態(tài)Cd轉(zhuǎn)化；李瑛等[13]卻得出根際交換態(tài)Cd含量高于非根際，根際殘?jiān)鼞B(tài)Cd向交換態(tài)轉(zhuǎn)化。這表明，不同植物在遭受Cd脅迫時(shí)的根際特征存在差異，有進(jìn)一步研究的必要性。

綠穗莧（Amaranthus hybridus L.）為莧科莧屬一年生植物，生命力旺盛，是一種常見(jiàn)的農(nóng)田雜草，在我國(guó)有較廣泛的分布。前期研究發(fā)現(xiàn)綠穗莧能耐受較高濃度的Cd脅迫，并且具有較強(qiáng)的Cd富集能力，盆栽試驗(yàn)條件下在Cd濃度為180 mg·kg-1時(shí)，其地上部Cd含量可達(dá)241.56 mg·kg-1，是一種潛在的Cd污染土壤植物修復(fù)材料[14]。然而目前的研究對(duì)綠穗莧富集和耐受Cd的機(jī)制認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不夠深入，尤其對(duì)于Cd脅迫下其根際特征的變化尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究擬通過(guò)盆栽根袋試驗(yàn)，分析不同Cd濃度下綠穗莧的根際特征與Cd形態(tài)分布，為深入揭示其富集和耐受Cd的機(jī)制提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試綠穗莧種子采集自漢源富泉鉛鋅礦區(qū)（29。24'N，102。38'E）。

1.2盆栽試驗(yàn)

供試土壤為水稻土，采自四川省成都市溫江區(qū)（30。43'04″N，103。52'13″E），土壤pH為7.18，全氮和有機(jī)質(zhì)分別為1.05、19.86 g·kg-1，堿解氮、有效磷和有效鉀分別為74.24、15.65、142.3 mg·kg-1，Cd含量為0.11 mg·kg-1，機(jī)械組成為粘粒26.1%、砂粒34.4%、粉粒39.5%。

采集表層土（0～20 cm），將土樣自然風(fēng)干、壓碎，過(guò)5 mm尼龍網(wǎng)篩后備用。準(zhǔn)備規(guī)格為30 cm×20 cm的塑料桶21個(gè)，每桶中裝入6.0 kg土樣，同時(shí)以NH4NO3和KH2PO4的形式施以4.0 g復(fù)合肥（N：P2O5：K2O=17：17：17），設(shè)置6個(gè)Cd處理濃度及1個(gè)對(duì)照處理（0、5、10、25、50、100、150 mg·kg-1），重金屬Cd以CdCl2·2.5H2O形式加入，每個(gè)處理設(shè)置3組重復(fù)。土壤中混勻肥料和Cd后，把土從桶中倒出，將300目尼龍絲網(wǎng)縫制成半徑約10 cm的根袋并放入塑料桶中央，再把土裝入桶中，靜置4周，待重金屬Cd在土壤中達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行幼苗移栽。試驗(yàn)于2015年3月開(kāi)始育苗，6月中旬選取長(zhǎng)勢(shì)一致的綠穗莧幼苗（5～6片葉子）進(jìn)行移栽，每桶3株，至9月初收獲植物。以根袋內(nèi)土壤為根際土，距離根袋20 mm以外為非根際土進(jìn)行土壤采集，土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩后備用。

1.3測(cè)定方法

土壤pH：用水浸提使水土質(zhì)量比為2.5：1，靜置30 min后用pH計(jì)測(cè)定。過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[15]，以20 min內(nèi)1 g土壤分解過(guò)氧化氫（H2O2）毫克數(shù)表示。脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法[15]，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示。磷酸酶活性采用比色法[16]，以24 h后1 g土壤釋放的酚毫克數(shù)表示。土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）用0.5 mol· L-1的K2SO4溶液浸提，采用總有機(jī)碳分析儀（島津TOC-VCPH）測(cè)定。土壤Cd形態(tài)用Tessier連續(xù)提取法[17]，采用FAAS-M6原子吸收火焰分光光度計(jì)測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表分析，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差（ANOVA）檢驗(yàn)，采用新復(fù)極差法（Duncan）在P＜0.05水平作處理間多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.1根際土壤pH和DOC變化

Cd處理下，綠穗莧根際土壤pH均低于非根際（圖1）。隨著Cd濃度的升高，pH呈先升高后降低再升高的趨勢(shì)。當(dāng)Cd濃度為10 mg·kg-1時(shí)，根際pH為7.16，達(dá)到最大值；在Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)，根際pH降至最低，為6.86。各處理根際DOC含量均高于非根際（圖2），隨著Cd濃度的升高，根際與非根際DOC含量均呈上升趨勢(shì)，且根際DOC含量增長(zhǎng)幅度高于非根際。與對(duì)照相比，當(dāng)Cd濃度≤5 mg·kg-1時(shí)，根際土壤的DOC含量無(wú)顯著增加，隨著Cd濃度升高，根際土壤DOC含量顯著增加（P＜0.05），增長(zhǎng)幅度為6.97%～15.20%。非根際土壤中DOC含量變化趨勢(shì)與根際一致，當(dāng)Cd濃度達(dá)到150 mg·kg-1時(shí)，比根際土壤中DOC含量低14.35%。

圖1　綠穗莧根際與非根際土壤pH變化Figure 1 pH in rhizosphere and non-rhizosphere of A. Hybridus

圖2　綠穗莧根際與非根際土壤DOC含量變化Figure 2 DOC concentrations in rhizosphere and non-rhizosphere of A. Hybridus

2.2根際Cd形態(tài)轉(zhuǎn)換

綠穗莧根際和非根際土壤中Cd的主要形態(tài)分布一致（圖3），在土壤中含量均表現(xiàn)為交換態(tài)Cd＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd＞有機(jī)態(tài)Cd＞殘?jiān)鼞B(tài)Cd，且各形態(tài)Cd含量隨著Cd濃度升高顯著增加（P＜0.05）。根際土壤中各形態(tài)Cd含量均低于非根際，表明植物從根際土壤中吸收了更多的Cd。

圖3　綠穗莧根際和非根際土壤鎘形態(tài)含量變化Figure 3 Variations of Cd fractions in rhizosphere and non-rhizosphere of A. hybridus

綠穗莧根際土壤交換態(tài)Cd所占比例隨著Cd濃度的升高顯著上升，從49.33%上升到64.66%，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd則先上升后降低。當(dāng)Cd濃度達(dá)到150 mg·kg-1時(shí)，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占比例下降，分別降低了1.33%、9.02%、4.05%和0.94%，非根際土壤交換態(tài)Cd 由46.25%上升到65.39%，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占比例分別降低了3.21%、9.88%、4.89%和1.14%（圖4）。Cd的形態(tài)由鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)向交換態(tài)轉(zhuǎn)化，土壤中Cd的活性增強(qiáng)。

2.3根際土壤酶活性變化

從表1可以看出，根際土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性均大于非根際。具體表現(xiàn)為隨Cd濃度升高，根際土壤過(guò)氧化氫酶活性呈下降趨勢(shì)，但各處理與對(duì)照相比無(wú)顯著差異；非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性隨Cd濃度升高呈下降趨勢(shì)，并且在Cd濃度≥100 mg·kg-1時(shí)，比對(duì)照顯著降低（P＜0.05）。當(dāng)Cd濃度≤50 mg·kg-1時(shí)，綠穗莧根際脲酶活性與對(duì)照相比無(wú)顯著變化，隨著Cd濃度的升高，根際脲酶活性顯著降低（P＜0.05），而非根際脲酶活性從Cd濃度＞10 mg· kg-1開(kāi)始顯著低于對(duì)照（P＜0.05）。當(dāng)Cd濃度為150 mg·kg-1時(shí)，根際脲酶活性為0.14 mg NH3-N·g-1·d-1，比非根際高15.78%。隨Cd濃度升高，根際與非根際土壤磷酸酶活性均呈先升高后下降趨勢(shì)。根際土壤磷酸酶活性從25 mg·kg-1開(kāi)始低于對(duì)照，但各處理與對(duì)照相比無(wú)顯著差異；非根際磷酸酶活性從10 mg·kg-1開(kāi)始低于對(duì)照，但此時(shí)變化不顯著，在Cd濃度≥50 mg·kg-1時(shí)，比對(duì)照顯著降低（P＜0.05）。

圖4　綠穗莧根際和非根際土壤中鎘形態(tài)分布Figure 4 Distribution of Cd fractions in rhizosphere and non-rhizosphere of A. hybridus

表1　綠穗莧根際與非根際土壤酶活性變化Table 1 Enzyme activities in rhizosphere and non-rhizosphere of A. hybridus

3　討論

通常情況下，酸性條件土壤中Cd有效性高，pH值降低將增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd等難溶態(tài)鎘的釋放和溶解；相反，pH升高會(huì)使土壤膠體的負(fù)電荷增加，從而使H+的競(jìng)爭(zhēng)作用減弱，土壤中有機(jī)質(zhì)與Cd形成螯合物，減少了有效態(tài)Cd的釋放，影響植物對(duì)Cd的吸收[18]。本試驗(yàn)中土壤pH隨著Cd濃度的增加而減小，根際pH均低于非根際，與相關(guān)研究一致[19]。其原因可能是Cd的脅迫改變了綠穗莧的根際過(guò)程，促使植物根系分泌的有機(jī)酸增加，導(dǎo)致土壤pH降低。此外，Cd脅迫使根際微生物活動(dòng)增強(qiáng)，釋放的CO2增加，也可能引起土壤pH降低。

土壤有機(jī)碳是碳循環(huán)中的一個(gè)重要組成，土壤中DOC主要來(lái)源于微生物代謝、根系分泌物、植物葉片的分解及有機(jī)質(zhì)水解，其在不同的pH下帶負(fù)電荷，易于在土壤中移動(dòng)[20]。DOC能夠作為有機(jī)配位體與重金屬離子形成有機(jī)-絡(luò)合物，從而降低重金屬離子在土壤表面的吸附性，增強(qiáng)重金屬的生物有效性，促進(jìn)植物的吸收[9]。超富集植物球果蔊菜的根際DOC含量大于非根際，且隨著Cd濃度的升高，DOC含量呈下降趨勢(shì)[12]。本試驗(yàn)中根際土壤DOC也大于非根際，然而，隨著Cd濃度的增加，DOC含量卻呈不斷上升趨勢(shì)。Gonzaga等[19]也得到類(lèi)似結(jié)果，Pteris ferns在砷脅迫下根際土壤DOC含量隨砷濃度的升高而增加。這可能是由根際土壤中的根系殘留物和根系及微生物的分泌物增多導(dǎo)致。DOC含量增加，能夠與土壤中更多的Cd2+形成有機(jī)-絡(luò)合物，降低Cd2+在土壤表面的吸附，增強(qiáng)Cd的活性。

Cd在土壤中的遷移性、生物有效性及毒性與Cd在土壤中存在的形態(tài)密切相關(guān)。土壤中的交換態(tài)Cd和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd具有較大溶解性，比其他形態(tài)更容易被富集植物吸收[21]。本試驗(yàn)中綠穗莧根際土壤中Cd的各個(gè)形態(tài)含量均低于非根際，且隨著Cd濃度的增加，根際與非根際碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd均向交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，表明不斷有Cd被活化并從根際向非根際擴(kuò)散。李瑛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd濃度≥5 mg·kg-1的污染條件下，根際土壤中Cd的形態(tài)由活性較低的殘?jiān)鼞B(tài)向活性較高的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和交換態(tài)轉(zhuǎn)化，且根際交換態(tài)Cd高于非根際，表明根際環(huán)境更有利于Cd的活化。本試驗(yàn)中根際交換態(tài)Cd低于非根際，可能的原因是根際活化的Cd一部分被綠穗莧有效吸收，另一部分向非根際土壤擴(kuò)散。研究結(jié)果顯示，隨著Cd濃度的升高，根際土壤pH呈逐漸降低的趨勢(shì)，而DOC呈不斷升高趨勢(shì)，兩者的變化是Cd向交換態(tài)轉(zhuǎn)移的有力證據(jù)。這表明，綠穗莧根際pH降低和DOC升高可能是其活化Cd的重要原因。

土壤酶是土壤中具有催化能力的一類(lèi)蛋白質(zhì)，參與許多代謝過(guò)程[22]。過(guò)氧化氫酶促使過(guò)氧化氫分解，防止過(guò)氧化氫對(duì)植物的毒害，一定程度上反應(yīng)微生物的活性強(qiáng)度。本試驗(yàn)中根際土壤過(guò)氧化氫酶活性大于非根際，且隨著Cd濃度的升高而降低。脲酶是氮素轉(zhuǎn)化中的一個(gè)重要指標(biāo)，脲酶的大量存在可為植物提供自身生長(zhǎng)所需要的氮素。本試驗(yàn)中根際土壤脲酶活性大于非根際，低濃度的Cd（5 mg·kg-1）對(duì)土壤脲酶活性有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)Cd濃度繼續(xù)升高時(shí)，脲酶活性降低，與李廷強(qiáng)等[23]的研究結(jié)果一致。酶活性升高的原因一方面可能是低濃度Cd對(duì)微生物具有一定濃度范圍的刺激作用，另一方面可能是Cd2+作為輔基，酶作為蛋白質(zhì)，利于酶活性中心和底物的配位結(jié)合，從而改變酶促反應(yīng)平衡性和酶蛋白表面電荷，最終增強(qiáng)酶活性[24-25]。當(dāng)Cd處理濃度較高時(shí)表現(xiàn)為對(duì)土壤酶活性的抑制，一方面可能是Cd抑制了土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，減少其體內(nèi)酶合成和分泌，另一方面Cd2+與底物競(jìng)爭(zhēng)，與酶分子中的巰基和含咪唑的配體結(jié)合，形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低酶活性[26]。磷酸酶能夠促進(jìn)根際難溶磷溶解，有助于植物對(duì)磷元素的吸收。土壤根際環(huán)境中的含磷化合物可通過(guò)根系與真菌聯(lián)合共生作用和對(duì)根際土壤的酸化作用等來(lái)影響重金屬離子的遷移吸收[27]。本試驗(yàn)中Cd處理下，根際土壤磷酸酶活性均大于非根際，且隨著Cd處理濃度的增加，綠穗莧根際土壤磷酸酶活性無(wú)顯著變化，而非根際顯著降低。這表明，綠穗莧根際土壤酶對(duì)Cd的毒害具有一定的緩解作用。

4　結(jié)論

（1）盆栽試驗(yàn)下，綠穗莧根際pH小于非根際，根際DOC含量大于非根際，隨著Cd濃度的升高，pH呈下降趨勢(shì)，DOC含量呈上升趨勢(shì)。綠穗莧根際環(huán)境更有利于Cd的活化。

（2）綠穗莧根際土壤中5種形態(tài)的Cd含量均低于非根際，且隨著Cd濃度的升高，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd向活性更高的交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化。綠穗莧根際對(duì)Cd的吸收量大于非根際，根際環(huán)境更有利于植物對(duì)Cd的活化與吸收。

（3）各處理根際土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性均高于非根際，根際土壤脲酶和磷酸酶活性均隨處理濃度升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性隨處理濃度升高持續(xù)下降，但根際過(guò)氧化氫酶活性與對(duì)照無(wú)顯著差異。綠穗莧根際土壤酶活性維持在一個(gè)較高水平，對(duì)Cd毒性具有一定的緩解作用。

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Characteristics and Cd fractions of rhizospheric soil of Amaranthus hybridus L. under different cadmium concentrations

DENG Yu-lan, XU Xiao-xun*, ZHANG Shi-rong, PU Yu-lin, ZHANG Chi-qiang, HUO Qing-lin, DONG Yuan-yuan
（College of Environmental Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China）

Abstract：Amaranthus hybridus L. is Cd-tolerant plant. Here a pot experiment was carried out to investigate the effects of cadmium（Cd）stresses on the characteristics and Cd fractions of A. hybridus rhizospheric soil. Results showed that pH in the rhizospheric soil was lower than that in non-rhizospheric soil, while dissolved organic carbon（DOC）concentrations and catalase, urease and phosphatase activities were just opposite. Increasing Cd concentrations reduced pH and catalase activity, but increased DOC concentrations. With Cd concentrations increasing, exchangeable Cd fraction was increased, while iron and manganese oxides bound Cd fraction was decreased initially but increased later. Carbonates bound, organic matter bound and residual Cd fractions were all decreased. These results suggest that pH and DOC in rhizospheric soil of A. hybridus could be an important factor influencing the distribution of Cd fractions, and enzymatic activities in the rhizospheric soil could play a role in mitigating Cd toxicity.

Keywords：rhizosphere; DOC; Cd fraction; soil enzyme activities

*通信作者：徐小遜E-mail:Xuxiaoxun2013@163.com

作者簡(jiǎn)介：鄧玉蘭（1991—），女，四川成都人，碩士研究生，主要從事環(huán)境生態(tài)和污染土壤植物修復(fù)等方面的研究。E-mail: 472487495@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41401328）；四川省煙草專(zhuān)賣(mài)局2015年科技計(jì)劃項(xiàng)目——植煙土壤質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)研究與集成應(yīng)用（SCYC201504）

收稿日期：2015-10-14

中圖分類(lèi)號(hào)：X503.233

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2043（2016）02-0288-06

doi:10.11654/jaes.2016.02.012