不同鎘脅迫條件對土壤微生物活性的影響

石松林 雷盈 覃紫其

摘要 ? ?通過設計4種鎘污染梯度、2種種植條件[有、無百日草（Zinnia elegans）]，選擇土壤基礎呼吸強度、脲酶活性、過氧化氫酶活性等3種反映土壤微生物活性的關鍵指標，探究了不同鎘脅迫條件對土壤微生物活性的影響特征。結果表明，土壤基礎呼吸強度、脲酶活性和過氧化氫酶活性與鎘脅迫程度均大致成負相關，隨著鎘濃度增加，土壤脲酶活性呈反比例函數(shù)型下降趨勢，土壤過氧化氫酶活性呈正弦曲線變化規(guī)律;種植百日草能促進土壤基礎呼吸強度、脲酶活性和過氧化氫酶活性，提高不同微生物活性指標受鎘脅迫影響的相關性;在種植百日草條件下，鎘脅迫對土壤微生物活性的影響與不種植百日草條件相似，其中2種條件下的過氧化氫酶受鎘脅迫的影響基本無差異。

關鍵詞 ? ?鎘脅迫;土壤微生物活性;土壤基礎呼吸;土壤酶活性;百日草

中圖分類號 ? ?X53 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）23-0153-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

隨著國民經濟的快速發(fā)展，鎘污染已成為我國土壤污染中重大環(huán)境問題之一，嚴重影響著我國糧食安全和居民健康[1]。據(jù)報道，我國受鎘污染的耕地面積超過1.33萬hm2，污染區(qū)稻米中鎘含量遠高于食品安全標準[2]。鎘對土壤基礎呼吸、酶活性和微生物類群破壞大，可導致土壤生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡、農作物鎘含量超標，影響區(qū)域生態(tài)安全和居民健康[3-6]。因此，開展鎘污染區(qū)土壤修復工作至關重要。

土壤基礎呼吸強度、酶活性是反映鎘污染對土壤微生物活性影響的敏感指標[7-9]。土壤基礎呼吸反映了土壤微生物、植物根系主要代謝過程，土壤酶在有機物分解、無機物質轉化、污染物降解及修復等方面起著重要作用[10-11]。已有研究表明，鎘污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)及其微生物活性具有明顯負作用[12-14]，對土壤酶活性具有抑制作用[15-17]。也有學者發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘污染對土壤酶活性具有一定的促進作用[18]。

百日草（Zinnia elegans）對重金屬鎘具有較強的耐性和富集性，可用于鎘污染土壤修復[19-22]。目前，利用百日草修復鎘污染土壤對土壤微生物活性的影響機理還不清楚。本研究通過設計4種鎘污染梯度、2種種植條件（有、無百日草），選擇土壤基礎呼吸強度、脲酶活性、過氧化氫酶活性3種反映土壤微生物活性的關鍵指標，探究不同鎘脅迫條件對土壤微生物活性的影響特征，旨在解決以下2個關鍵科學問題：不同鎘脅迫水平對土壤微生物活性影響程度如何;鎘污染土壤中種植百日草是否會有利于土壤微生物活性。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗材料

1.1.1 ? ?植物材料。百日草（Zinnia elegans）又名百日菊，是菊科百日菊屬一年生草本，喜溫暖、光照充足環(huán)境，耐干旱和貧瘠土壤。試驗用百日草均為種子萌發(fā)產生，種子為網(wǎng)上采購。

1.1.2 ? ?土壤基質。試驗土壤采于成都理工大學校園內貧瘠土壤區(qū)，采集表層土壤（0～20 cm），經自然風干、磨碎后均勻混合，過2 mm篩，與河沙1∶1充分混合后裝盆。混合后土壤基質理化性質為pH值6.67，含水率24.31%，有機碳含量2.04 g/kg，全鎘含量1.12 mg/kg。

1.2 ? ?試驗設計

將配置好的土壤裝于口徑15.6 cm、盆徑11.2 cm、高13.8 cm的塑料盆中，每盆裝約2 kg。設置2種種植條件，分別標記為有百日草（A1）和無百日草（A2）;A1和A2分別設置4個鎘濃度梯度處理，分別標記為對照（不加鎘，CK）和加鎘30 mg/kg（S1）、60 mg/kg（S2）、120 mg/kg（S3），每種處理3個重復。

1.3 ? ?試驗實施

在試驗之前，為培養(yǎng)、形成均質化的土壤理化條件，將土壤含水量調節(jié)至40 %（田間最大持水量），并用透氣的薄膜封口，常溫下培養(yǎng)7 d后，加入用CdCl2·2.5H2O配置的不同濃度鎘溶液，并攪拌均勻。A1組在土壤加入重金屬后，每盆移栽3株株高長勢一致的百日草。為保持整個試驗過程土壤含水量不變，采用稱重差減法每隔3 d調節(jié)1次土壤水分。整個試驗持續(xù)27 d，然后取土樣測土壤基礎呼吸強度、脲酶活性及過氧化氫酶活性。

1.4 ? ?測定方法

1.4.1 ? ?土壤基礎呼吸強度。采用室內密閉堿液吸收法測定[23]，以每小時1 kg土壤二氧化碳的釋放量（mg）表示。

1.4.2 ? ?脲酶。采用苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性[24]，以培養(yǎng)24 h后1 g土壤中NH3-N的含量（mg）表示。

1.4.3 ? ?過氧化氫酶。采用高錳酸鉀滴定法測定[25]，以振蕩30 min后1 g土壤消耗0.002 mol/L高錳酸鉀量（mL）表示。

1.5 ? ?數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0進行描述性統(tǒng)計和相關性分析，并使用Origin 2019作圖。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?鎘脅迫對土壤基礎呼吸的影響

由圖1可知，土壤基礎呼吸強度與鎘污染程度成負相關關系，種植百日草對土壤基礎呼吸強度有一定的促進作用。比較不同鎘脅迫水平對土壤基礎呼吸強度影響發(fā)現(xiàn)，S1組（30 mg/kg）明顯好于其他組，有、無百日草種植的S1組分別比各自對照組高20.00%和35.29%，說明低濃度鎘對土壤基礎呼吸具有一定促進作用;有、無百日草種植的S3組均小于各自對照組，說明高鎘濃度脅迫條件對土壤基礎呼吸有明顯抑制作用，抑制率最高可達70%;有百日草種植的S2組>CK，且明顯高于無百日草種植的S2組，說明在中低鎘濃度（60 mg/kg以下）污染脅迫條件下種植百日草對土壤基礎呼吸有一定促進作用。

2.2 ? ?鎘脅迫對土壤酶活性的影響

由圖2、圖3可知，鎘脅迫對土壤酶活性具有明顯的抑制作用，對不同土壤酶活性影響特征不同，而種植百日草能夠提高土壤中的酶活性。比較不同鎘脅迫水平對土壤脲酶、過氧化氫酶活性影響發(fā)現(xiàn)，鎘對2種土壤酶活性抑制程度不同，隨著鎘濃度增加，土壤脲酶活性呈反比例函數(shù)型下降，土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)出正弦曲線變化規(guī)律。S1組土壤脲酶和過氧化氫酶活性明顯小于CK，隨著鎘濃度增加，土壤酶活性降低速率減小，說明土壤酶活性對鎘脅迫的響應比較敏感（尤其在低濃度條件下）。

2.3 ? ?鎘脅迫下土壤微生物活性的相關性分析

由表1可知，在無百日草條件下，過氧化氫酶活性（CA）與脲酶活性（UA）相關性最高（r=0.860），其他微生物活性指標之間相關性較差，說明不同微生物活性指標受鎘脅迫影響差異性較大，過氧化氫酶與脲酶活性受鎘脅迫影響的相關性最高。種植百日草后，三者之間均表現(xiàn)較強相關性，表現(xiàn)為脲酶和過氧化氫酶活性相關性最高（r=0.741），土壤基礎呼吸強度（SBRI）與脲酶活性的相關性最低（r=0.523），說明種植百日草后，不同微生物活性指標受鎘脅迫影響的相關性會提高，百日草有改善土壤環(huán)境的作用。2種條件下的土壤基礎呼吸強度、脲酶活性和過氧化氫酶活性的相關程度均較高，SBRI（A1）與SBRI（A2）、UA（A1）與UA（A2）和CA（A1）與CA（A2）的相關系數(shù)r分別為0.554、0.892和0.969，說明在有、無種植百日草2種條件下，鎘脅迫對土壤微生物活性產生的影響相似。其中，過氧化氫酶活性的相關性達到了顯著性水平（P<0.05），說明2種條件下的過氧化氫酶活性受鎘脅迫的影響基本無差異。

3 ? ?結論與討論

土壤基礎呼吸是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要組成部分，對地球碳變化有著重要的影響，其呼吸強度是反應土壤污染程度的重要指標[26-27]。本研究表明，土壤基礎呼吸強度、脲酶活性和過氧化氫酶活性與鎘脅迫程度均大致成負相關，種植百日草能促進土壤基礎呼吸強度、脲酶活性和過氧化氫酶活性。這與方 ?晰等[28]研究結果一致，可能是百日草通過富集作用降低了土壤中鎘的含量，從而減少了鎘對土壤基礎呼吸強度的抑制作用。隨著鎘濃度增加，土壤脲酶活性呈反比例函數(shù)型下降趨勢，土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)出正弦曲線變化規(guī)律，這可能與土壤酶類型及其受外界環(huán)境干擾強度有關。其中，脲酶是一種能催化土壤中尿素分解的胞外水解酶，其活性與土壤中有機質含量關系密切[29]。本試驗中，土壤中的脲酶受到重金屬的破壞，因而其活性表現(xiàn)為顯著下降趨勢。過氧化氫酶為胞內氧化還原酶，可分解土壤中的過氧化氫[30]。當重金屬鎘濃度過高時，土壤微生物死亡并破裂，將體內的過氧化氫酶釋放到土壤中，導致過氧化氫酶活性升高，而釋放到土壤中的過氧化氫酶受到高濃度鎘毒害后，失去其活性，從而導致活性下降。不同微生物活性指標受鎘脅迫影響的差異性較大，在無百日草條件下，過氧化氫酶與脲酶受鎘脅迫影響的相關性最高;種植百日草條件下，鎘脅迫對土壤微生物活性產生的影響與不種植百日草條件相似，其中2種條件下的過氧化氫酶受鎘脅迫的影響基本無差異，這一結果與陳海燕等[31]的結果一致。

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