不同種植模式對(duì)鉛污染土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響

朱紅霞 張建強(qiáng) 張家洋

(新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

土壤酶是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，在土壤養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起著重要作用。它與土壤微生物共同推動(dòng)土壤代謝過(guò)程，其活性的高低可作為土壤質(zhì)量的活性指標(biāo)和土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。土壤受到重金屬污染后，土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶反應(yīng)比較敏感，能反映重金屬對(duì)土壤微生物活性的毒性效應(yīng)[2]。土壤微生物作為土壤酶的一個(gè)重要來(lái)源，可以產(chǎn)生胞外酶，在調(diào)節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)、維持物質(zhì)循環(huán)穩(wěn)定、凈化土壤污染等多方面扮演著重要角色。而且其對(duì)重金屬污染的敏感性較強(qiáng)，能反映土壤質(zhì)量狀況，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)[3]。針對(duì)重金屬污染下土壤微生物和酶活性國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李偉等[4]研究了鋅污染下吊蘭生長(zhǎng)對(duì)土壤微生物數(shù)量酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)種植吊蘭的實(shí)驗(yàn)組土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量及土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性均顯著高于未種植的對(duì)照組，說(shuō)明吊蘭對(duì)土壤重金屬鋅污染有明顯的修復(fù)效果。高揚(yáng)等[5]研究了Cd，Pb單一及復(fù)合污染下玉米生長(zhǎng)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性的影響，表明種植玉米有利于提高重金屬污染下的土壤呼吸強(qiáng)度，可減輕 Cd，Pb 對(duì)磷酸酶和脲酶的影響。

目前，已有較多關(guān)于栽培植物修復(fù)土壤重金屬污染的研究，但大多數(shù)僅研究某一植物單獨(dú)種植的修復(fù)效果，多種植物不同種植模式對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)研究尚不多見(jiàn)。因此，本研究選取對(duì)重金屬鉛有一定耐性的4種本地草本觀賞植物白三葉 (Trifoliumrepens)、一串紅 (Salviasplendens)、翠菊 (Callistephuschinensis)、鳶尾 (Iristectorum)，在土壤鉛污染下進(jìn)行單種和兩兩混合種植，研究不同模式下根際與非根際土壤微生物數(shù)量、酶活性、土壤呼吸作用強(qiáng)度、有效態(tài)重金屬含量及其他土壤理化性質(zhì)，以期篩選出修復(fù)鉛污染土壤的最優(yōu)種植模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

供試土壤樣地位于新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)小店鎮(zhèn)北張興莊村 (北緯35°30′，東經(jīng)113°87′)，該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，氣溫，降水，風(fēng)等隨季節(jié)變換顯著，四季分明。冬長(zhǎng)且冷，雨稀少；夏季炎熱，降雨頻繁；春天干旱風(fēng)沙多；秋天涼爽日照長(zhǎng)。年平均氣溫14 ℃，年均降水達(dá)606.7 mm。試驗(yàn)地是1個(gè)廢棄多年的農(nóng)用蔬菜大棚，周邊交通及生活垃圾的堆放對(duì)土壤造成了一定的污染。供試土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)2.157 g/kg，全氮含量0.98 g/kg，堿解氮含量50 mg/kg，全磷含量0.65 g/kg，速效磷含量10 mg/kg ，全鉀含量15.1 g/kg，速效鉀含量70 mg/kg，全Pb含量612 mg/kg，有效態(tài)鉛含量69.216 mg/kg， pH 6.14。以GB 15618—1995[6]作為參照，全Pb含量超出了三級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (500 mg/kg)。

1.2 試驗(yàn)材料

白三葉 (Trifoliumrepens)、一串紅 (Salviasplendens)、翠菊 (Callistephuschinensis)、鳶尾 (Iristectorum) 4種植物種子均購(gòu)自新鄉(xiāng)市花卉市場(chǎng)。2016年3月中旬將種子播種于育苗盤(pán)中，在新鄉(xiāng)學(xué)院花卉繁育基地的溫室內(nèi)進(jìn)行催芽育苗。選取白三葉、一串紅、翠菊4片真葉展開(kāi)，苗高5 cm左右，鳶尾苗高5 cm左右的生長(zhǎng)健壯，高度基本一致的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年4月上旬從試驗(yàn)樣地取土，土壤剔除雜物后自然風(fēng)干，磨碎，過(guò)4 mm尼龍篩混勻，裝至40 cm × 40 cm × 21 cm的方形種植箱內(nèi)，每箱裝土5 kg。采用根袋 (由400目尼龍網(wǎng)布做成) 區(qū)分根際非根際土壤，其中根際土2 kg ，非根際土3 kg。選取符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的幼苗移栽至種植箱，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置11個(gè)處理，分別為：未種植 (CK)、白三葉單種 (AA)、一串紅單種 (BB)、翠菊單種 (CC)、鳶尾單種 (DD)、白三葉與一串紅混種 (AB)、白三葉與翠菊混種 (AC)、白三葉與鳶尾混種 (AD)、一串紅與翠菊混種 (BC)、一串紅與鳶尾混種 (BD)、翠菊與鳶尾混種 (CD)。植物單種時(shí)每箱12株，2種植物混種時(shí)每種植物各6株。每個(gè)處理重復(fù)3次。常規(guī)養(yǎng)護(hù)，根據(jù)實(shí)際情況不定期澆水，確保田間持水量維持在60%左右，為防止重金屬鉛淋失，澆水后將滲漏到箱托上的水或土重新倒入種植箱內(nèi)，以維持重金屬鉛濃度不變。移植80 d后小心的將植株連根取出，收集根際非根際土壤，風(fēng)干后磨細(xì)，過(guò)100目篩，待測(cè)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

采用稀釋平板計(jì)數(shù)法[7]對(duì)土壤微生物數(shù)量進(jìn)行測(cè)定，牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌、改良的高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌。

按照周禮愷[8]《土壤酶學(xué)》中的方法測(cè)定土壤各種酶活性。土壤脲酶活性以1 g土在37 ℃下培養(yǎng)24 h后釋放的NH3+-N的毫克數(shù)來(lái)表示，過(guò)氧化氫酶活性以1 g土樣在培養(yǎng)時(shí)間2 h內(nèi)所消耗的0.1 mol/L KMnO4溶液的毫升數(shù)表示，土壤蔗糖酶活性以1 g土在37 ℃培養(yǎng)24 h釋放葡萄糖的毫克數(shù)表示。土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)及重金屬含量測(cè)定參照 《土壤農(nóng)化常規(guī)分析法》[9]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，SPSS 22.0進(jìn)行多重比較及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)土壤微生物數(shù)量分布的影響

不同種植模式對(duì)土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的分布產(chǎn)生了顯著影響 (表1)。根際細(xì)菌數(shù)量的變幅為6.460 × 105～8.521 × 105CFU/g，其中一串紅單種模式下根際細(xì)菌數(shù)量最少，白三葉與鳶尾混種最多，白三葉與鳶尾混種模式比對(duì)照和一串紅單種模式細(xì)菌數(shù)量分別增加了526.1%和31.9%；且單種和混種模式間差異顯著 (P< 0.05)；各處理根際細(xì)菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > AB > AC > BC > BD > CD > AA > CC > DD > BB。非根際細(xì)菌的數(shù)量變幅為4.748 × 105～6.614 ×105CFU/g，鳶尾單種模式下數(shù)量最小，白三葉與鳶尾混種模式下數(shù)量最大，白三葉與鳶尾混種模式比對(duì)照和鳶尾單種模式下細(xì)菌數(shù)量分別增加了386.0%和39.3%；且各單種模式之間幾乎無(wú)顯著差異，而混種模式下白三葉與鳶尾混種與其他混種模式相比差異顯著 (P< 0.05)；各處理非根際細(xì)菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > AB > AC > BD > BC > CD > AA > CC > BB > DD。

根際與非根際土壤真菌數(shù)量均以白三葉與鳶尾混種模式最多，一串紅單種模式最少，且單種和混種模式間存在顯著差異 (P< 0.05)。根際真菌數(shù)量變幅為1.150 × 103～3.462 × 103CFU/g，白三葉與鳶尾混種模式下真菌數(shù)量比對(duì)照和一串紅單種模式下分別增加507.1%和201.0%；各處理根際真菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > AC > BD > AB > BC > CD > AA > DD > CC > BB。非根際真菌數(shù)量變幅為0.946 × 103～2.608 × 103CFU/g，白三葉與鳶尾混種模式下真菌數(shù)量比對(duì)照和一串紅單種模式下分別增加357.5%和175.7%；各處理非根際真菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > AC > AB > BD > BC > CD > AA > DD > CC > BB。

表1 不同種植模式對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Table 1 Effects of different cropping patterns on soil microbial quantity

注：不同小寫(xiě)字母表示顯著差異。

不同種植模式下根際放線菌的數(shù)量最多的為白三葉與鳶尾混種模式，數(shù)量達(dá)5.553 × 104CFU/g，最小的為一串紅單種模式，數(shù)量達(dá)1.938 × 104CFU/g，白三葉單種模式與鳶尾混種模式放線菌數(shù)量比對(duì)照和一串紅單種模式分別增多497.1%和186.5%；且單種和混種模式之間差異顯著 (P< 0.05)，而混種模式下白三葉與鳶尾混種與其他混種模式相比差異顯著 (P< 0.05)；各處理根際放線菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > BD > CD > AC > AB > BC > DD > AA > CC > BB。非根際放線菌的數(shù)量最大的仍為白三葉與鳶尾混種模式，數(shù)量達(dá)4.855 × 104CFU/g，最小的為一串紅單種模式，數(shù)量達(dá)1.390 ×104CFU/g，白三葉與鳶尾混種比對(duì)照和一串紅單種分別提高422.0%、249.3%；各處理非根際放線菌數(shù)量大小順序?yàn)锳D > BD > CD > AC > AB > BC > AA > DD > CC > BB。

由此表明，在鉛污染下種植植物能有效增加土壤微生物數(shù)量，其中以白三葉與鳶尾混種模式效果最好，其次是白三葉與翠菊混種和一串紅與鳶尾混種，一串紅單種模式效果最差；對(duì)照組因受到鉛污染影響而沒(méi)有植物修復(fù)，微生物生長(zhǎng)遭到抑制，其數(shù)量較少。

2.2 不同種植模式對(duì)土壤酶活性狀況的影響

脲酶主要分解有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，其活性可以用來(lái)衡量土壤氮素供應(yīng)水平[10]。不同種植模式根際和非根際脲酶活性均表現(xiàn)為白三葉與鳶尾混種模式下活性最高，其次是白三葉與一串紅混種模式。根際脲酶活性變幅為2.166～2.523 mg/(g·d)，白三葉與鳶尾混種模式比對(duì)照和一串紅單種模式下分別增加225.5%和16.5%；單種和混種模式差異顯著 (P< 0.05)；根際脲酶活性高低順序?yàn)锳D > AB > BC > AC > CD > BD > AA > CC > BB > DD。非根際脲酶活性變幅為1.374～1.912 mg/(g·d)，白三葉與鳶尾混種比對(duì)照和鳶尾單種模式下分別提高146.7%和39.2%；各處理脲酶活性的高低順序與根際脲酶活性表現(xiàn)相同?？梢?jiàn)，不同種植模式均能提高土壤酶活性，改善土壤氮素供應(yīng)水平，其中混種較單種效果好，并以白三葉與鳶尾混種模式轉(zhuǎn)化有效氮素的能力最好，白三葉與一串紅混種模式次之。

根際和非根際蔗糖酶活性表現(xiàn)相似，白三葉與鳶尾混種模式下蔗糖酶活性最高，一串紅單種模式下蔗糖酶活性最低。根際和非根際蔗糖酶活性變幅分別為15.315～23.146 mg/(g·d)和11.642～19.764 mg/(g·d)；白三葉與鳶尾混種模式下蔗糖酶活性比對(duì)照分別提高394.8%和322.5%，比一串紅單種模式分別提高51.1%和69.8%，單種和混種模式之間均存在明顯的差異 (P< 0.05)。根際蔗糖酶活性高低順序分別為AD > CD > BC > BD > AC > AB > CC > DD > AA > BB；非根際蔗糖酶活性高低順序分別為AD > AC > BD > CD > BC > CC > AB > AA > DD > BB。說(shuō)明白三葉與鳶尾混種模式最有利于土壤蔗糖酶發(fā)揮其碳循環(huán)功能，一串紅單種模式效果最差。

由表2可知，不同種植模式根際和非根際過(guò)氧化氫酶活性均表現(xiàn)為白三葉與鳶尾混種模式下活性最高，一串紅單種模式下活性最低。根際和非根際過(guò)氧化氫酶活性變幅分別為2.209～2.665 mL/(g·h)和1.867～2.433 mL/(g·h)，白三葉與鳶尾混種模式下活性比對(duì)照分別提高198.4%和178.4%，比一串紅單種分別提高20.6%和30.3%；單種和混種模式之間差異顯著 (P< 0.05)。

表2 不同種植模式對(duì)土壤酶活性的影響Table 2 Effects of different cropping patterns on soil enzymes activities

注：不同小寫(xiě)字母表示顯著差異。

由此表明，與對(duì)照相比，在土壤鉛污染下種植植物可以有效提高土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶的活性，且混種模式較單種模式效果好，其中以白三葉與鳶尾混種模式表現(xiàn)最好，一串紅單種模式最差。

2.3 不同種植模式對(duì)根際土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性之間的相關(guān)性

由土壤微生物數(shù)量與酶活性的雙變量相關(guān)性分析 (表3) 可以看出，根際與非根際土壤細(xì)菌、真菌、放線數(shù)量與三種土壤酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P< 0.05)，且與脲酶活性、過(guò)氧化氫酶活呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P< 0.01)。

表3 不同種植模式土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性的相關(guān)性分析Table 3 Correlation coeffieients between soil microbial quantityand enzyme activities under different cropping patterns

注:*表示差異顯著，**表示差異極顯著。

2.4 不同種植模式對(duì)鉛污染下土壤理化性質(zhì)的影響

不同種植模式土壤呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的差異 (表4)，根際呼吸作用強(qiáng)度 > 非根際呼吸作用強(qiáng)度 > 對(duì)照。方差分析結(jié)果顯示，混種模式、單種模式與對(duì)照組之間的差異均達(dá)到顯著水平 (P< 0.05)。其中AD模式的根際和非根際土壤呼吸作用強(qiáng)度最大，分別是10.784 mgCO2/(kg·h) 和7.274 mgCO2/(kg·h)，比對(duì)照增加了304.2%和172.6%。不同種植模式根際土壤呼吸作用強(qiáng)度的大小順序?yàn)锳D > AB > AC > BC > BD > CD > AA > CC > DD > BB。非根際土壤呼吸作用強(qiáng)度大小順序，混種模式的與根際土壤表現(xiàn)一致，而單種模式則為AA > BB > DD > CC。表明植物在鉛污染的土壤上生長(zhǎng)可以改善土壤微生物環(huán)境，特別是混種模式能更好提高微生物活性，其中以AD模式最好。

不同種植模式土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為根際 > 非根際 > 對(duì)照。方差分析結(jié)果表明，根際和非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量除了DD模式外，各混種模式與其他單種模式均達(dá)到了顯著水平 (P< 0.05)。根際和非根際有機(jī)質(zhì)含量變幅分別為2.964～3.610 g/kg和2.185～2.747 g/kg，均以AD含量最高，比對(duì)照提高67.4%和27.4%。根際土壤有機(jī)質(zhì)含量的大小順序?yàn)锳D > DD > AC > BC > BD > CD > AB > CC > AA > BB，混種模式AD最好，單種模式DD次之。非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量的大小順序表現(xiàn)則為AD > AB > DD > AC > BC > BD > CC > CD > BB > AA。表明在鉛污染條件下不同種植模式也可不同程度的改善土壤基質(zhì)狀況。

表4 不同種植模式對(duì)土壤呼吸作用強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)及有效態(tài)鉛含量的影響Table 4 Effects of different cropping patterns on soil respiration strength, organic content and bioavailable Pb content

注：不同小寫(xiě)字母表示顯著差異。

與對(duì)照相比，不同種植模式均降低了根際和非根際土壤Pb2+含量，并且根際土壤中的Pb2+含量整體上大于非根際土壤。其中混種模式較單種模式土壤 Pb2+含量高，不同種植方式下根際土和非根際土Pb2+含量分別為23.365～40.212 mg/kg和22.573～37.627 mg/kg，均以AD含量最高；單種模式與混種模式間差異顯著 (P< 0.05)。根際土和非根際土Pb2+含量高低順序均為AD > AC > BC > BD > CD > AB > DD > BB > CC > AA，非根際土Pb2+含量顯著性差異與根際土表現(xiàn)一致。說(shuō)明植物根系在一定程度上活化和改變了土壤鉛的存在形態(tài)，更易于被植物吸收，且混種方式下效果更為明顯。

種植模式不同，植物種類(lèi)不同，土壤的理化性質(zhì)就會(huì)有一定的差異 (表5)。不同種植模式根際土壤pH大小表現(xiàn)為對(duì)照 > 非根際 > 根際，混種模式低于單種模式，其中AC模式最低，比對(duì)照降低0.135個(gè)單位，AD次之。不同種植模式根際電導(dǎo)率低于非根際電導(dǎo)率，且低于對(duì)照對(duì)照；而非根際電導(dǎo)率單種模式高于對(duì)照，混種模式低于對(duì)照；根際和非根際電導(dǎo)率均以AC模式最低，AD次之，各種植處理之間有一定差異。不同種植模式氧化還原電位除CC模式最高外，表現(xiàn)為對(duì)照 >非根際 > 根際；根際和非根際氧化還原電位單種模式之間和混種模式之間差異顯著 (P< 0.05)。表明植物根系活動(dòng)能降低土壤 pH使氧化還原電位及電導(dǎo)率發(fā)生變化。

2.5 不同種植模式土壤微生物數(shù)量與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤微生物數(shù)量與土壤基本化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析見(jiàn)表6。

表5 不同種植模式對(duì)土壤 pH、電導(dǎo)率及氧化還原電位的影響Table 5 Effects of different cropping patterns on pH, soil conductivity and soil Eh

注：不同小寫(xiě)字母表示顯著差異。

表6 土壤微生物數(shù)量與土壤基本化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 6 Correlation coeffieients between soil microbial quantity and soil physical and chemical properties of different cropping patterns

注:*表示差異顯著，**表示差異極顯著。

由表6可以看出，根際與非根際土壤中微生物數(shù)量與呼吸作用強(qiáng)度和Pb2+含量呈正相關(guān)，且細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量與呼吸作用強(qiáng)度和有效態(tài)鉛含量的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平 (P< 0.01)。根際土壤有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量雖然呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著，土壤有機(jī)質(zhì)含量與非根際細(xì)菌數(shù)量顯著相關(guān) (P< 0.05)。土壤的pH、電導(dǎo)率、氧化還原電位均與微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，且與細(xì)菌的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平 (P< 0.01)。說(shuō)明盡管土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)，但它對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響較??； pH、電導(dǎo)率、氧化還原電位對(duì)微生物數(shù)量的影響較大；土壤中Pb2+含量與微生物數(shù)量關(guān)系密切；微生物數(shù)量越多，代謝越旺盛，土壤呼吸作用強(qiáng)度越大。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，土壤重金屬鉛污染下，4種植物不同種植模式均能顯著增加土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量，提高土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性，且根際大于非根際。這與郭華等[11]對(duì)毛竹根際與非根際土壤重金屬、理化性質(zhì)及酶活性特征研究的結(jié)果一致。由于根系分泌物的作用，根際內(nèi)微生物數(shù)量比根際外要高，當(dāng)微生物受到環(huán)境刺激時(shí)，不斷向周?chē)橘|(zhì)分泌酶，致使根際內(nèi)外酶活性存在較大差異。本研究還發(fā)現(xiàn)，混種模式要優(yōu)于于單種模式，這與毛亮等[12]對(duì)不同栽培模式下Cd、Pb復(fù)合污染對(duì)土壤微生物及其酶活性的影響研究結(jié)果一致?；旆N下植物根系分泌物更加復(fù)雜多樣，為根系一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)提供了良好的基礎(chǔ)，進(jìn)而更好的激發(fā)了土壤微生物的活性，從而表現(xiàn)出對(duì)重金屬的抗性[13-14]。另外混種下植物多樣性會(huì)影響根區(qū)微生物群落多樣性[15]，加上根系分泌物的選擇性，單種微生物群落多樣性不如混種豐富，微生物又是土壤酶的重要來(lái)源，因而混種下土壤酶活性高于單種。

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