鋅污染對吊蘭根際土壤酶活性的影響

張永蘭， 尚 璐， 王友保， 韋晶晶

(1.安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，生物環(huán)境與生態(tài)安全安徽省高校重點實驗室，安徽 蕪湖 241000；2.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林系，安徽 池州 247000)

我國土壤鋅污染問題在近年開始涌現(xiàn)，土壤鋅污染報道不斷增加。進入土壤中的鋅在生物地球化學(xué)過程中活性較為保守，遷移和轉(zhuǎn)化時間長。據(jù)Allaway估算，在沒有外來鋅繼續(xù)加入的情況下，只通過植物吸收使其在土壤中消失的時間約為1000年[1]。土壤被鋅污染后，由于其累積性和不可逆轉(zhuǎn)性的污染特點，直接對土壤-植物系統(tǒng)產(chǎn)生危害，并影響到人類健康，嚴(yán)重時使土壤失去自然生產(chǎn)力，成為不毛之地[2-4]。土壤酶作為土壤新陳代謝的主要因素，是最為活躍的土壤有機成分之一，直接影響土壤中進行的生物地球化學(xué)過程。有研究論證了影響土壤酶活性的因素主要有：土壤pH、土壤有機質(zhì)、土壤養(yǎng)分及微生物種類等[5]，土壤酶活性可以反映土壤中進行的各種生物化學(xué)過程的強度和方向，與土壤肥力密切相關(guān)[6-9]。同時，重金屬對土壤酶活性抑制或激活作用的表現(xiàn)也比較敏感[10]。所以土壤酶活性是土壤肥力評價的重要指標(biāo)之一，也是土壤自凈能力的重要評價指標(biāo)之一。在污染土壤的監(jiān)測和治理工作中，可以將土壤酶活性作為監(jiān)測土壤重金屬污染的重要生物活性指標(biāo)[10,13]。吊蘭(Chlorophytumcomosum)隸屬于百合科吊蘭屬，為常用園林觀賞植物，生命力旺盛，繁殖力強，對環(huán)境適應(yīng)力強。本文選取吊蘭作為試驗材料，進行重金屬鋅污染條件下的栽培實驗，旨在研究重金屬鋅污染對土壤酶活性的影響，以及吊蘭對重金屬鋅污染土壤的修復(fù)效果，為治理和修復(fù)重金屬鋅污染土壤提供參考依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

供試土壤取自于安徽師范大學(xué)后山，土壤類型為黃棕壤，其基本性質(zhì)：pH為4.775，電導(dǎo)率為107.500μS·cm-1，氧化還原電位為150.000mV，有機質(zhì)、全氮、全磷含量分別為4.751、0.770和0.949g·kg-1，土壤全鋅含量為83.530mg·kg-1。土壤采集后，除去動植物殘體、石礫等雜物，于室內(nèi)通風(fēng)處風(fēng)干，磨細(xì)后過3mm篩，混勻后備用。

吊蘭購自合肥市裕豐花市，預(yù)培養(yǎng)一周后，選取生長情況大致相同、葉片飽滿、根系豐富的吊蘭幼苗作為實驗材料。

1.2實驗設(shè)計

實驗以乙酸鋅為重金屬添加劑，一次性加入不同體積的乙酸鋅溶液，并將其與土壤充分混勻，使土壤含鋅量分別為200、500、800、1000、1500、2000和2500mg·kg-1，以不添加鋅的土壤為對照(CK)，共8個處理。將混勻后加有不同鋅濃度的土壤分別裝入對應(yīng)的花盆中。每盆裝土700g，其中根際300g，非根際400g(根際是用自制的尼龍網(wǎng)袋分開的)，預(yù)培養(yǎng)4周。實驗設(shè)栽種吊蘭的栽培組和不栽培吊蘭的空白組。上述每個處理設(shè)3個重復(fù)。

1.3植物栽培及取樣

土壤經(jīng)預(yù)培養(yǎng)處理后，每盆栽種2株吊蘭，分別于栽培當(dāng)天和栽培后第18天、36天及54天在吊蘭的根際、非根際以及空白組中取出適量的土，并置于0～4℃冰箱中保存，用于測量土壤中土壤酶活性。

1.4測定方法

土壤酶活性測定參照關(guān)松蔭等[14]介紹的方法：過氧化氫酶采用0.1mol·L-1KMnO4滴定法，其活性以1g土壤培養(yǎng)20min后消耗的0.1mol·L-1KMnO4的毫升數(shù)表示；蔗糖酶采用Na2S2O3滴定法測定，其活性以1g土壤37℃下培養(yǎng)24h后，所消耗的0.1mol·L-1Na2S2O3的毫升數(shù)表示；脲酶采用苯酚鈉比色法測定，其活性以24h內(nèi)1g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示；堿性磷酸酶采用比色法測定，其活性以1g土壤37℃下培養(yǎng)2h后，所消耗的酚的毫克數(shù)(折算為100g土中P2O5的毫克數(shù))表示。

以上所用容器均用2%HNO3浸泡24h后使用，以避免重金屬的各種可能性污染。

1.5數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)分析主要采用的是Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0兩種軟件。利用Microsoft Excel 2003對三個平行樣的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等進行計算；使用SPSS 17.0進行不同處理之間的多重比較，以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

有研究表明土壤酶活性與土壤微生物、土壤有機質(zhì)及植物等顯著相關(guān)。土壤微生物活性與蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性有直接相關(guān)關(guān)系[15-16]，土壤有機質(zhì)的存在狀況和含量會顯著影響土壤酶活性，植物主要通過根系分泌物和根系分泌物作用于根際微生物區(qū)系而引起對土壤酶活性的影響[17]。

2.1鋅污染對土壤酶活性的影響

隨著栽培時間的增加，吊蘭根際土壤中過氧化氫酶的活性逐漸變大(表1)。這可能是因為在吊蘭根際土壤中，隨著栽培時間的增加，根際土壤中微生物及有機質(zhì)的含量增加有關(guān)。但隨著土壤鋅濃度的增加，過氧化氫酶的活性逐漸降低，說明重金屬鋅對過氧化氫酶活性有抑制作用，且在不同培養(yǎng)時間內(nèi)，過氧化氫酶活性與重金屬鋅濃度之間也均達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1)。

隨著栽培時間的增加，吊蘭根際土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性呈先增后減的趨勢，栽培至第36天時三者活性達(dá)到最大值，之后有所降低(表2、表3、表4)?？赡苁窃谠耘喑跗?，吊蘭根際的分泌物刺激了微生物的繁殖，根毛枯死等原因使根際土壤中有機質(zhì)表現(xiàn)出暫時的增加，從而使幾種酶的活性初始表現(xiàn)為增長。但隨著有機物質(zhì)的消耗減少，微生物的活性降低，從而酶的活性出現(xiàn)降低。同時，土壤中的鋅對這三種酶也具有一定的低濃度促進，高濃度抑制的現(xiàn)象。但三種酶對鋅濃度的敏感程度不一樣。與CK組土壤酶活性相比，在土壤鋅濃度小于500mg·kg-1時，根際土壤中蔗糖酶的活性隨著土壤鋅濃度的增加而變大，當(dāng)土壤鋅濃度大于500mg·kg-1時，蔗糖酶活性隨著土壤鋅濃度的增加而減小；土壤鋅濃度為200mg·kg-1時，根際土壤中脲酶和磷酸酶活性有所提高，當(dāng)土壤鋅濃度大于200mg·kg-1時，脲酶和磷酸酶活性隨著鋅濃度的增大逐漸變小。這種現(xiàn)象的原因可能是低濃度環(huán)境下，吊蘭的根對鋅產(chǎn)生一定的吸附作用，降低重金屬的影響，但達(dá)到吸附飽和后，則表現(xiàn)出鋅對微生物的抑制作用，進而降低土壤酶的活性。

表1 鋅污染對土壤中過氧化氫酶活性的影響

注：表格同一列中小寫字母表示過氧化氫酶活性在同一時期不同濃度處理下的差異性；同一行中大寫字母表示過氧化氫酶活性在同一濃度不同時期下的差異性(p<0.05)。下同

表2 鋅污染對土壤中蔗糖酶活性的影響

續(xù)表2

部位鋅處理濃度(mg·kg-1)蔗糖酶的活性(C6H12O6,mg·g-1·day-1)栽培當(dāng)天栽培后第18天栽培后第36天栽培后第54天空白CK5.879±0.214cA5.517±0.181cB5.289±0.077cC5.090±0.044cC2008.040±0.098bA7.770±0.166bB7.500±0.101bB6.839±0.142bC50011.908±0.086aA11.129±0.120aA10.728±0.077aB8.396±0.129aC8005.829±0.117cA5.822±0.085cA5.737±0.098cA5.360±0.160cB10003.754±0.077dA3.192±0.096dB2.844±0.096dC2.737±0.086dC15002.943±0.077eA2.268±0.163eB1.998±0.065eC1.827±0.044eC20001.784±0.121fA1.635±0.121fA1.472±0.113fB1.528±0.107eAB25001.557±0.119fA1.479±0.137fA1.329±0.089fB1.351±0.107eB

表3 鋅污染對土壤中脲酶活性的影響

表4 鋅污染對土壤中磷酸酶活性的影響

比較栽培吊蘭的實驗組與不栽培吊蘭的空白組，以及吊蘭根際與非根際環(huán)境可以發(fā)現(xiàn)，幾種土壤酶活性均表現(xiàn)為吊蘭根際土壤酶活性>非根際土壤酶活性>空白組土壤酶活性，且這種差異性在吊蘭生長的不同時期均表現(xiàn)顯著(p<0.05，如表5所示)。非根際土壤、空白組土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性隨土壤鋅濃度的變化趨勢與吊蘭根際環(huán)境的變化趨勢相似；非根際土壤中幾種土壤酶活性隨栽培時間的變化趨勢也與根際環(huán)境的變化趨勢相似。而空白組土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性隨栽培時間增加而逐漸減小，這說明種植吊蘭可以有效降低鋅污染對土壤酶活性的影響，提高土壤酶活性。

2.2土壤酶活性與土壤鋅濃度和培養(yǎng)時間的相關(guān)性分析

從表6中可以看出四種土壤酶活性與栽培時間及土壤鋅濃度之間的相關(guān)性顯著。從影響系數(shù)可以看出根際與非根際土壤中，土壤酶活性與栽培時間之間呈正相關(guān)，而空白組土壤中酶活性與栽培時間之間呈負(fù)相關(guān)，土壤酶活性與土壤鋅濃度之間呈負(fù)相關(guān)，且栽培時間對土壤酶活性的影響系數(shù)要大于土壤鋅濃度對土壤酶活性的影響系數(shù)。這和培養(yǎng)時間增加后，土壤酶獲得了一定的修復(fù)有關(guān)。

3 結(jié) 論

3.1根際土壤中酶活性隨栽培時間的增加而變大，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性在栽培至第36天時達(dá)到最大值，隨后有所下降；非根際土壤中酶活性隨栽培時間的變化趨勢與根際土壤的變化趨勢相似；空白組土壤因受重金屬鋅影響且沒有吊蘭修復(fù)，其土壤酶活性隨栽培時間的增加逐漸降低。根際土壤中酶活性>非根際土壤中酶活性>空白組土壤中酶活性。

3.2根際土壤中過氧化氫酶活性隨土壤鋅濃度的增加逐漸降低，脲酶、磷酸酶活性在土壤鋅濃度為200mg·kg-1時達(dá)到最高值，而蔗糖酶則在土壤鋅濃度為500mg·kg-1時達(dá)到頂峰。非根際土壤、空白組土壤中酶活性隨土壤鋅濃度的變化趨勢與吊蘭根際土壤的變化趨勢相似。

表5 根際土壤、非根際土壤、空白組土壤中土壤酶活性配對t檢驗

注：*代表p<0.05，差異性顯著；**代表p<0.01，差異性極顯著

表6 土壤酶活性與栽培時間及土壤鋅濃度的多元線性回歸分析

注：1：x1代表吊蘭栽培天數(shù)；2：x2代表土壤鋅濃度；3：*代表p<0.05，相關(guān)性顯著；4：**代表p<0.01，相關(guān)性極顯著

3.3 栽培時間對土壤酶活性的影響大于土壤鋅濃度對土壤酶活性的影響。