植物根系活性對(duì)菲濃度的響應(yīng)
——以欒樹(shù)、樟樹(shù)為例

荊誠(chéng)然, 姚文藝, 肖培青, 申震洲, 焦 鵬, 馬 力

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450003)

多環(huán)芳烴(PAHs)是一種普遍存在于土壤環(huán)境中且具有高毒性的持久性有機(jī)污染物[1],多環(huán)芳烴在土壤環(huán)境中的吸收、積累、降解、轉(zhuǎn)化、揮發(fā)等行為會(huì)影響其在土壤中的形態(tài)與殘留濃度，進(jìn)而決定其通過(guò)食物鏈的傳遞對(duì)人類健康所造成的危害性程度。因此，修復(fù)被多環(huán)芳烴污染的土壤是目前環(huán)境和生態(tài)領(lǐng)域中的一個(gè)難題[2-3]。大量文獻(xiàn)研究證實(shí)，植物具有去除多環(huán)芳烴毒性的能力，許多植物能夠在很大程度上去除土壤中的污染物[4],植物修復(fù)是一種經(jīng)濟(jì)廉價(jià)、高效簡(jiǎn)便、美化景觀、不會(huì)造成二次污染的綠色技術(shù)[5]。而根系分泌物不僅在改變土壤根際區(qū)微生物種群數(shù)量、組成及其活力等方面發(fā)揮著特殊且重要的作用[6]，還能夠有效去除土壤中的污染物，改善土壤質(zhì)量[7]。有研究[8]表明，在苊、萘、芘、菲的污染下，黑麥草根系分泌物中可溶性總糖、草酸和可溶性有機(jī)酸的含量均高于空白對(duì)照樣本。王姣龍[9]以紫玉蘭、桂花、欒樹(shù)和樟樹(shù)為試驗(yàn)材料，對(duì)芘脅迫下4種城市常見(jiàn)綠化樹(shù)種根系分泌物的成分變化開(kāi)展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)紫玉蘭和桂花根系分泌物中物質(zhì)種類與芘濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而欒樹(shù)和樟樹(shù)根系分泌物中物質(zhì)種類與芘濃度呈正相關(guān)關(guān)系。植物向土壤中輸送碳(C)、氮(N)的能力是通過(guò)其根系分泌物中TOC，TC及TN含量來(lái)反映的[10]。植物在受到一定有害物質(zhì)脅迫時(shí)，其根系分泌物種類和含量會(huì)發(fā)生變化[11]。總的來(lái)說(shuō)，目前相關(guān)研究主要側(cè)重于植物根系分泌物成分的變化特征，而對(duì)其根系活性及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量的變化關(guān)系研究較少。本試驗(yàn)以欒樹(shù)(Koelreuteriapaniculata)、樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)作為典型樹(shù)種，開(kāi)展植物根系活性特征及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量之間變化關(guān)系的研究，探討這兩個(gè)樹(shù)種根系分泌物在菲脅迫下的響應(yīng)機(jī)制，為植物修復(fù)被多環(huán)芳烴污染土壤提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在中南林業(yè)科技大學(xué)溫室內(nèi)開(kāi)展菲脅迫下欒樹(shù)與樟樹(shù)根系活性特征及其調(diào)控作用的試驗(yàn)研究。供試材料為苗高和長(zhǎng)勢(shì)基本一致的1年生欒樹(shù)和樟樹(shù)實(shí)生苗；試驗(yàn)土壤采自于中南林業(yè)科技大學(xué)校東園苗圃表層0—20 cm的土壤，屬于我國(guó)南方地區(qū)常見(jiàn)的紅壤，自然含水率和總孔隙度分別為21.77%和44.59%，土壤中TN含量為0.99 g/kg，磷(P)含量為0.38 g/kg，鉀(K)含量為6.13 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為17.59 g/kg，pH值為4.69,屬于酸性土壤。將供試土壤自然風(fēng)干后，用2 mm土壤篩粗濾待用。將多環(huán)芳烴代表物菲溶解于丙酮溶劑中，與供試土壤混合均勻后，每份土壤1 kg，平衡30 d。

將供試苗木根系用蒸餾水洗凈后，移栽到裝有供試土壤的塑料盆中，在溫室中培養(yǎng)30 d，每日定時(shí)定量澆水，保持土壤表層有薄水層，溫室的日間溫度為24 ℃，夜間溫度為18 ℃，自然光照條件。菲濃度設(shè)置為0 mg/kg(L0)，100 mg/kg(L1)，1 000 mg/kg(L2)共3個(gè)處理水平[12-13]，分別標(biāo)記為L(zhǎng)0，L1和L2，其中L0為對(duì)照試樣。每盆栽種1株供試苗木，每個(gè)處理水平設(shè)置6份土樣，分組設(shè)置采用隨機(jī)區(qū)組模式。

將不同處理水平的供試苗木用自來(lái)水沖洗干凈，再用新制蒸餾水浸泡5 min并反復(fù)沖洗3次，然后以2株為單元將其放置在裝有0.5 mol/L CaCl2溶液的廣口瓶中，瓶的容積為1 500 ml，用錫箔紙將已經(jīng)進(jìn)行高溫滅菌處理的廣口瓶包裹好，使根系處在黑暗狀態(tài)下，收集過(guò)程中保持連續(xù)通氣狀態(tài)，靜置24 h。根系分泌物分別經(jīng)過(guò)濾紙、濾膜過(guò)濾后置于冰箱中，溫度設(shè)定為4 ℃保存。將根系分泌收集后的苗木用于根系活性測(cè)定。

1.2 測(cè)定方法和數(shù)據(jù)處理

使用日本島津TOC-500總有機(jī)碳分析儀測(cè)定植物根系分泌物中TOC，TC與TN的含量，用排水法測(cè)量植物根系體積，甲烯藍(lán)吸附法測(cè)定根系總吸收面積和活躍吸收面積[14]。采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物中TOC，TC和TN含量對(duì)菲濃度的響應(yīng)關(guān)系

以根系分泌物中TC，TOC，TN含量用于衡量欒樹(shù)與樟樹(shù)對(duì)菲濃度的響應(yīng)程度。試驗(yàn)表明，欒樹(shù)、樟樹(shù)根系分泌物中TC，TOC和TN含量均對(duì)菲濃度有著明顯的響應(yīng)關(guān)系，且兩個(gè)樹(shù)種的響應(yīng)關(guān)系基本一致。由圖1可知，欒樹(shù)根系分泌物中，對(duì)照試樣的TOC含量為160.05 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為114.56和102.45 mg/(株·d)，相較于對(duì)照試樣分別降低了28.4%，36.0%；對(duì)照試樣的TC含量為164.60 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為119.15，107.03 mg/(株·d)，L1和L2相較于對(duì)照試樣分別降低了27.6%，34.5%；對(duì)照試樣的TN含量為7.91 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為9.51和8.58 mg/(株·d)，L1和L2相較于對(duì)照試樣分別升高了20.2%，8.5%。TOC，TC含量均隨菲濃度的升高呈下降趨勢(shì)，TN含量則隨菲濃度的升高先微升后微降。同時(shí)，TC與TN之比在3種菲處理水平下分別為20.81，12.54和12.48，隨菲濃度升高而下降。樟樹(shù)根系分泌物中，對(duì)照試樣的TOC含量為122.91 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為99.76，42.36 mg/(株·d)，相較于對(duì)照試樣分別降低了18.8%，65.5%；對(duì)照試樣的TC含量為127.75 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為104.92，47.17 mg/(株·d)，L1和L2相較于對(duì)照試樣分別降低了17.9%，63.1%；對(duì)照試樣的TN含量為5.68 mg/(株·d)，L1和L2試樣則分別為5.09，2.16 mg/(株·d)，L1和L2相較于對(duì)照試樣分別下降了10.4%，62.0%?？偟膩?lái)說(shuō)，樟樹(shù)根系分泌物中TOC，TC與TN含量隨菲濃度的升高均呈下降趨勢(shì)，三個(gè)試樣的TC與TN之比分別為22.49，20.61，21.84，隨菲濃度呈先下降后升高的趨勢(shì)(圖1)。進(jìn)一步分析表明，3個(gè)處理水平下，欒樹(shù)根系分泌物中TOC，TC，TN含量均高于樟樹(shù)。欒樹(shù)與樟樹(shù)根系分泌物中TC，TOC含量隨菲濃度升高，均呈下降趨勢(shì)。欒樹(shù)的TC∶TN始終低于樟樹(shù)。

圖1 欒樹(shù)與樟樹(shù)不同菲濃度處理水平下的TC∶TN

2.2 根系活性比較

根系的活躍吸收面積是衡量根系活性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在3個(gè)處理水平下，欒樹(shù)根系的總吸收面積分別為2.83，4.47和2.97 m2，相應(yīng)的活躍吸收面積分別為1.46，2.37和1.54 m2，總吸收面積和活躍吸收面積隨菲濃度升高均呈先上升后下降趨勢(shì)。樟樹(shù)根系的總吸收面積在3個(gè)處理水平下分別為2.97，2.50和2.43 m2，相應(yīng)的活躍吸收面積分別為1.56，1.32和1.30 m2，與欒樹(shù)不同的是，樟樹(shù)的總吸收面積和活躍吸收面積隨菲濃度升高均呈持續(xù)下降趨勢(shì)。對(duì)照試樣中欒樹(shù)的根系總吸收面積和活躍吸收面積均低于樟樹(shù)，但在L1和L2水平下，欒樹(shù)根系總吸收面積和活躍吸收面積均高于樟樹(shù)。顯然，菲的添加對(duì)樟樹(shù)根系活性的影響比欒樹(shù)的更大一些。

2.3 根系分泌物中TOC，TC，TN含量的變化關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨菲濃度升高，欒樹(shù)根系總吸收面積和活躍吸收面積與其根系分泌物中TN含量變化趨勢(shì)一致，均呈先升后降趨勢(shì)，說(shuō)明低濃度菲促進(jìn)了欒樹(shù)根系活性及根系分泌物中氮素的分泌。而TOC，TC的含量則呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明菲抑制了欒樹(shù)根系分泌碳素。欒樹(shù)根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TN含量分別呈正相關(guān)關(guān)系，而總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TOC，TC含量分別呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。樟樹(shù)TOC，TC，TN含量及根系總吸收面積、活躍吸收面積隨菲濃度的升高均呈下降趨勢(shì)。樟樹(shù)根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TOC，TC，TN含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明菲抑制了樟樹(shù)根系活性及根系分泌物中碳、氮的分泌。進(jìn)一步分析表明，同一植物根系分泌物中TOC，TC和TN含量的變化具有不同的響應(yīng)關(guān)系。欒樹(shù)根系分泌物中TC，TN含量之間整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨TC含量升高，TN含量相應(yīng)降低，也就是說(shuō)，欒樹(shù)根系分泌物中的TC含量升高，則其TN含量就會(huì)降低。另外，就同一含量而言，TN的變幅并不大(圖2)。對(duì)于樟樹(shù)而言，其根系分泌物中TC與TN含量之間具有正相關(guān)關(guān)系，隨TC含量升高，TN含量也隨之升高，其間的變化規(guī)律與欒樹(shù)有著較大差異(圖3)。

圖2 不同菲濃度處理欒樹(shù)根系分泌物 中TC含量與TN含量的關(guān)系

圖3 樟樹(shù)根系分泌物中TC含量與TN含量的關(guān)系

另外，從根系分泌物中TC含量與其活躍吸收面積的關(guān)系來(lái)看，欒樹(shù)與樟樹(shù)是有一定差別的。欒樹(shù)根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積之間無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系，三種處理水平中，在欒樹(shù)根系分泌物中TC含量相近的情況下，L1處理水平下根系活躍吸收面積最大，L2處理水平下最小，這說(shuō)明低濃度的菲對(duì)欒樹(shù)根系活性有一定的促進(jìn)作用，高濃度的菲會(huì)抑制欒樹(shù)的根系活性(圖4)。對(duì)于樟樹(shù)而言，其根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，樟樹(shù)根系分泌物中TC含量隨其根系活躍面積的增大而降低(圖5)。

圖4 欒樹(shù)根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積的關(guān)系

圖5 樟樹(shù)根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積的關(guān)系

3 結(jié) 論

植物根系分泌物中TC，TOC及TN含量能反映植物根系分泌物的總量，同時(shí)能反映植物根系向土壤輸入碳氮的能力。土壤環(huán)境的變化會(huì)對(duì)植物根系分泌物成分及含量產(chǎn)生影響[15-16],植物在受到一定有害物質(zhì)毒害時(shí)，根系分泌物組成成分的濃度會(huì)發(fā)生變化，增加根系分泌物中部分組分的產(chǎn)生和累積，這主要是植物對(duì)有害物質(zhì)毒害的應(yīng)激反應(yīng)，通過(guò)增加根系分泌物調(diào)節(jié)根際微域環(huán)境，使得根際微域環(huán)境利于有害物質(zhì)的分解[17-18]。

(1) 隨著菲濃度的升高，欒樹(shù)與樟樹(shù)根系分泌物中TOC，TC和TN含量總體均呈下降趨勢(shì)，表明菲的添加對(duì)植物根系分泌量存在抑制作用。這也說(shuō)明根系組織和細(xì)胞在多環(huán)芳烴脅迫下，會(huì)對(duì)T，N產(chǎn)生一種保護(hù)和調(diào)節(jié)機(jī)制。當(dāng)然了，這也可能是根系生理功能遭到破壞產(chǎn)生的結(jié)果，對(duì)其發(fā)生機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

(2) 菲脅迫能夠影響植物根系活性，隨著菲濃度的升高，欒樹(shù)、樟樹(shù)根系總吸收面積和活躍吸收面積總體呈下降趨勢(shì)。另外，樟樹(shù)根系的總吸收面積和活躍吸收面積均低于欒樹(shù)，這表明樟樹(shù)對(duì)菲的添加表現(xiàn)出受脅迫現(xiàn)象，而欒樹(shù)則表現(xiàn)出一定的耐受性。

(3) 在菲脅迫下，兩個(gè)樹(shù)種根系分泌物中TOC，TC與TN含量之間的變化具有一定的制約關(guān)系，但樹(shù)種不同，其制約關(guān)系也存在差異。就試驗(yàn)組次范圍而言，欒樹(shù)根系分泌物中TC與TN含量之間具有正比關(guān)系，而樟樹(shù)則成反比關(guān)系。3種處理水平下，欒樹(shù)根系分泌物中TOC，TC與TN的含量均高于樟樹(shù)，這說(shuō)明在菲的脅迫下欒樹(shù)根系分泌量大于樟樹(shù)。通過(guò)菲脅迫下根系分泌量和根系活性的比較，表明欒樹(shù)相較于樟樹(shù)對(duì)菲具有更好的耐受性。