大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染刺槐幼苗根圍土壤黃酮含量的影響

曹柯萌，賈 夏，張春燕，王 璐，張寧?kù)o，高云峰，王子威

(長(zhǎng)安大學(xué) a水利與環(huán)境學(xué)院，旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b土地工程學(xué)院，陜西省土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

黃酮類化合物是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)環(huán)境的產(chǎn)物，是自然界存在最為廣泛的一類酚類化合物，在植物適應(yīng)并抵御環(huán)境脅迫方面發(fā)揮重要作用。根圍土壤中黃酮類化合物主要來(lái)源于植物殘?bào)w、枯枝落葉分解及根系分泌物，其對(duì)土壤養(yǎng)分、微生物及植物生長(zhǎng)等產(chǎn)生了重要影響，可誘導(dǎo)根瘤菌nod基因的表達(dá)，抑制土壤微生物如枯草桿菌(Bacillussubtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)和變形桿菌(Staphylococcusepidermidis)的生長(zhǎng)[1-3]。故黃酮類化合物積累量的高低會(huì)影響植物根微域土壤養(yǎng)分循環(huán)及肥力水平，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。環(huán)境因子如大氣CO2濃度、氣溫和土壤重金屬及有機(jī)物污染等的改變會(huì)影響植物體內(nèi)黃酮類化合物的合成代謝，從而影響根圍土壤中黃酮類化合物的積累。因此探究環(huán)境因子對(duì)植物根圍土壤黃酮類化合物積累的影響對(duì)科學(xué)評(píng)估根圍土壤的生態(tài)健康具有重要意義。

隨著人類活動(dòng)加劇，大氣CO2濃度呈逐年增加趨勢(shì)，預(yù)計(jì)21世紀(jì)末將會(huì)增加至930 μmol/L[4-7]。研究表明，大氣CO2濃度升高會(huì)影響植物光合作用，改變同化產(chǎn)物含量及在植物各器官的分配，進(jìn)而影響次生代謝物質(zhì)的形成和對(duì)根系的運(yùn)送及根系分泌等。大氣CO2濃度升高還會(huì)增加植物體內(nèi)黃酮類化合物的產(chǎn)量[8-11]，影響根圍土壤中黃酮類化合物的積累。在大氣CO2濃度持續(xù)升高的同時(shí)，土壤重金屬污染是又一重要環(huán)境問(wèn)題。在眾多重金屬中，鎘(Cd)由于其毒性大、移動(dòng)性強(qiáng)、分布廣而受到廣泛關(guān)注[12]。研究表明Cd顯著影響植物生長(zhǎng)發(fā)育及代謝，可促進(jìn)植物體內(nèi)黃酮類化合物的積累[13]。而植物體內(nèi)黃酮類化合物含量的變化會(huì)影響其根系的分泌特征，進(jìn)而會(huì)影響根圍土壤中黃酮類化合物的積累量。在大氣CO2濃度升高和Cd污染共存的背景下，植物黃酮類化合物的合成會(huì)影響根圍土壤黃酮類化合物的積累，而根圍土壤黃酮類化合物的積累與土壤有機(jī)及有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的形成和穩(wěn)定、根瘤的形成、微生物生長(zhǎng)代謝以及Cd的活化和運(yùn)移等有關(guān)[14-16]，進(jìn)而影響Cd污染土壤的植物修復(fù)效率及根微域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等。因此探究大氣CO2濃度升高與Cd污染耦合對(duì)植物根圍土壤中黃酮類化合物積累的影響具有重要意義，而目前這方面的研究還較少。

刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)原產(chǎn)北美，是我國(guó)北方常見造林樹種，其適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、根系發(fā)達(dá)、耐重金屬等逆境脅迫，其花、葉、根能合成豐富的黃酮類化合物[17-19]。鑒于前期研究表明大氣CO2濃度升高和Cd污染耦合提高了刺槐幼苗葉片總黃酮含量[18-19]，本研究選用刺槐幼苗，探討其根圍土壤黃酮類化合物對(duì)大氣CO2濃度升高和土壤Cd污染耦合的響應(yīng)特征，旨在為重金屬污染土壤的植物修復(fù)、礦區(qū)植被恢復(fù)及場(chǎng)地污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試土壤采自長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)原位試驗(yàn)場(chǎng)土壤污染修復(fù)試驗(yàn)后的廢棄場(chǎng)地，土壤類型為淋溶土[20]。采用多點(diǎn)混合采樣法采集0～20 cm土層土壤，清除土壤中的石子、枝葉等較大雜物后進(jìn)行風(fēng)干處理，過(guò)孔徑5 mm篩并充分混勻，其基本理化性質(zhì)為：pH為7.69，總碳含量為12.51 g/kg，總氮含量為1.31 g/kg，堿解氮含量為11.14 mg/kg，有效磷含量為48.66 mg/kg，速效鉀含量為151.97 mg/kg，陽(yáng)離子交換量為0.22 mol/kg，可溶性鹽含量為376.14 mg/kg，總Cd含量為2.88 mg/kg。刺槐種子購(gòu)于西北農(nóng)林科技大學(xué)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 供試土壤的Cd污染處理 依據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018)中pH>7時(shí)的農(nóng)用地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(0.6 mg/kg)和風(fēng)險(xiǎn)管制值(4.0 mg/kg)，對(duì)供試土壤進(jìn)行Cd污染處理。本研究設(shè)置干土中分別添加0，0.45和4.5 mg/kg Cd，記為Cd0、Cd1和Cd2，具體方法是在土壤中添加20 g/L CdSO4·8H2O水溶液，使土壤中Cd含量分別為0，0.45和4.5 mg/kg，并補(bǔ)水使不同Cd處理的土壤含水量保持一致，將其放置暗處平衡5個(gè)月，期間每半個(gè)月攪拌1次。

1.2.2 盆栽刺槐的CO2處理 依據(jù)IPCC和眾多研究者預(yù)測(cè)[4-7]，本研究中盆栽刺槐CO2濃度設(shè)置2個(gè)水平：高濃度CO2((750±31) μmol/L)和大氣CO2濃度(385 μmol/L)。具體處理方法為：將1.2.1節(jié)Cd處理的土壤裝入盆栽試驗(yàn)盆(長(zhǎng)、寬、高分別為30，15，20 cm)，每盆裝約10 kg土壤后種植刺槐種子，播種后將種植盆栽移入配備有精確控制CO2濃度系統(tǒng)的植物培養(yǎng)箱(Percival E-36L2，美國(guó))和對(duì)照培養(yǎng)箱，此時(shí)培養(yǎng)箱中CO2濃度分別為750，385 μmol/L。本試驗(yàn)共計(jì)6個(gè)處理，分別為高濃度CO2+Cd(Cd0、Cd1和Cd2)和大氣CO2濃度+Cd(Cd0、Cd1和Cd2)兩組，其中以大氣CO2濃度+Cd0處理作為對(duì)照，每處理重復(fù)3次。培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置：溫度恒定為25 ℃，光周期12 h，相對(duì)濕度為65%～69%，平均光通量550 μmol/(m2·s)。幼苗生長(zhǎng)期間定期澆灌自來(lái)水，保持土壤田間持水量為(62.7±3.1)%。為了準(zhǔn)確分析根系分泌對(duì)根圍土壤黃酮類化合物積累的貢獻(xiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)清理盆中的雜草和凋落物，并經(jīng)常更換各盆栽的位置以使光照均勻。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，CO2濃度升高下幼苗生長(zhǎng)良好，未表現(xiàn)出明顯CO2中毒現(xiàn)象。

在刺槐出苗后的第45，90，135 天，挖取整株幼苗，采用抖落法獲取根圍土壤，去除砂石、枝葉、細(xì)根等雜質(zhì)后過(guò)孔徑1 mm土壤篩，置于-80 ℃冰箱用于分析黃酮類化合物含量。此外，截取幼苗莖干和根系部分，將其殺青后風(fēng)干，用于分析總黃酮及其單體、C、N和Cd含量，其中用于分析Cd含量的根系在取樣后用0.1 mol/L的稀鹽酸快速漂洗3次以去除根系表面殘留Cd，再用蒸餾水沖涮根系表面殘留的HCl，殺青后風(fēng)干待用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 根圍土壤和莖干、根系的總黃酮含量 總黃酮含量以蘆丁為標(biāo)樣，采用硝酸鋁比色法[19]測(cè)定。準(zhǔn)確稱取20 g土壤樣品于圓底燒瓶，并加入100 mL 體積分?jǐn)?shù)70%乙醇，以2 500 r/min在25 ℃下恒溫振蕩30 min充分混勻后，水浴回流提取1 h，以4 000 r/min離心10 min后取上清液。重復(fù)提取3次，合并上清液。將上清液收集并減壓濃縮定容至50 mL后測(cè)定總黃酮含量。在測(cè)定莖干和根系總黃酮含量時(shí)，測(cè)定方法同土壤樣品，只是提取方法不同：用體積分?jǐn)?shù)70%乙醇處理莖干和根系時(shí)，料(g)液(mL)比為1∶5。

1.3.2 根圍土壤和莖干、根系中的黃酮單體含量 (1)標(biāo)準(zhǔn)品溶液的制備。 配制質(zhì)量濃度分別為2，5，10，20 和32 μg/mL的槲皮素和刺槐素標(biāo)準(zhǔn)溶液，以及質(zhì)量濃度分別為1，10，25，50和80 μg/mL蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后采用高效液相色譜儀(日本島津，LC-2030C 3D Plus)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。色譜條件：Shim-pack GIST反相C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)色譜柱；流動(dòng)相為甲醇和0.4%磷酸水溶液，采用梯度洗脫(表1)；柱溫30 ℃，檢測(cè)器為二極管陣列檢測(cè)器；檢測(cè)波長(zhǎng)360 nm；流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量10 μL。

表1 測(cè)定樣品中黃酮單體的梯度洗脫程序Table 1 Gradient elution procedures for determination of flavonoids in samples

(2)樣品處理及測(cè)定。 分別取1.3.1節(jié)測(cè)定總黃酮含量后剩余的莖干、根系和土壤提取液40 mL濃縮成浸膏，用色譜甲醇定容至10 mL，用0.22 μm濾膜過(guò)濾得到待測(cè)樣品溶液，采用高效液相色譜法分析樣品溶液中的黃酮單體含量。色譜條件和進(jìn)樣量同標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 幼苗莖干和根系C、N和Cd含量 幼苗根系和莖干C、N含量用元素分析儀(Vario Macro cube，Elementar，德國(guó))測(cè)定；Cd含量采用微波消解-石墨爐-原子吸收分光光度計(jì)(EWAI AA-7090，北京東西分析儀器有限公司)測(cè)定，具體方法見文獻(xiàn)[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用三因素方差分析法分析CO2、Cd、時(shí)間對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響，影響顯著時(shí)采用LSD(最小顯著差異法，F(xiàn)isher’s least significant difference)分析各指標(biāo)在不同處理間的差異性(P<0.05)；采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient)分析根圍土壤黃酮積累與植物根系和莖干黃酮、C、N和Cd的關(guān)系。采用Sigmaplot14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理刺槐幼苗根圍土壤總黃酮含量的變化

大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗根圍土壤總黃酮和槲皮素含量的影響結(jié)果見圖1。由圖1可知，在大氣CO2濃度下，隨著土壤中Cd含量的增加，45 和90 d時(shí)土壤總黃酮含量均呈增加趨勢(shì)，135 d時(shí)土壤總黃酮含量無(wú)顯著變化。在高濃度CO2下，隨著土壤中Cd含量的增加，45 d時(shí)土壤總黃酮含量呈降低的趨勢(shì)，90 d時(shí)土壤總黃酮含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，135 d時(shí)土壤總黃酮含量無(wú)顯著變化。當(dāng)土壤中Cd含量為0.45 mg/kg時(shí)，45 d時(shí)土壤總黃酮含量隨CO2濃度升高而顯著增加，而90和135 d時(shí)無(wú)顯著變化；當(dāng)土壤中Cd含量為4.5 mg/kg 時(shí)，45和90 d時(shí)土壤總黃酮含量隨CO2濃度升高而顯著降低，而135 d時(shí)則顯著升高?？傮w看，在大氣CO2濃度下，外源添加4.5 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤總黃酮含量在幼苗生長(zhǎng)45 d時(shí)最高，而135 d時(shí)最低。

對(duì)黃酮類單體化合物而言，本試驗(yàn)只檢測(cè)到了槲皮素，結(jié)果見圖1。由圖1可知，在大氣CO2濃度下，隨著土壤中Cd含量的增加，45 和90 d時(shí)土壤槲皮素含量均呈增加的趨勢(shì)；而135 d時(shí)土壤槲皮素含量在Cd污染處理下較對(duì)照顯著增加，且Cd在0.45 mg/kg時(shí)槲皮素含量較4.5 mg/kg時(shí)顯著增高。在高濃度CO2下，隨著土壤中Cd含量的增加，45 d時(shí)土壤槲皮素含量呈先增加后降低趨勢(shì)，90 d時(shí)土壤槲皮素含量呈先降低后增加趨勢(shì)，135 d時(shí)土壤槲皮素含量呈增加趨勢(shì)。當(dāng)土壤中Cd含量為0.45 mg/kg時(shí)，45 d時(shí)土壤槲皮素含量隨CO2濃度升高而顯著增加，而90和135 d時(shí)則顯著降低；當(dāng)土壤中Cd含量為4.5 mg/kg 時(shí)，45和90 d時(shí)土壤槲皮素含量隨CO2濃度升高而顯著降低，而135 d時(shí)則顯著增加?？傮w看，在大氣CO2濃度下，外源添加4.5 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤槲皮素含量在幼苗生長(zhǎng)45 d時(shí)最高，而高濃度CO2下，外源添加0.45 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤槲皮素含量最高。

由圖1可知，在大氣CO2濃度下，外源添加0～0.45 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)無(wú)明顯變化，而添加4.5 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而顯著降低。在高濃度CO2下，外源添加0～0.45 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量總體隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低，而添加4.5 mg/kg Cd時(shí)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加。

方差分析結(jié)果(表2)表明，幼苗生長(zhǎng)時(shí)間、Cd及CO2單一因素或者其交互作用總體上對(duì)土壤總黃酮和槲皮素含量有顯著或極顯著影響。

表2 大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗莖干、根系和根圍土壤總黃酮及其單體含量影響的三因素方差分析的F值 Table 2 F value from three-way ANOVA on effect of elevated atmospheric CO2 on total flavonoids and flavonoid monomers in stems,roots,and rhizosphere soil of Robinia pseudoacacia L. seedlings under Cd exposure

2.2 不同處理刺槐幼苗莖干及根系總黃酮含量的變化

大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗莖干和根系總黃酮及其單體含量的影響見圖2。由圖2 可知，無(wú)論是在大氣CO2濃度下還是在高濃度CO2下，外源添加0～0.45 mg/kg Cd時(shí)刺槐幼苗莖干總黃酮含量隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低，由高到低表現(xiàn)為45 d>90 d>135 d。

由圖2可見，在大氣CO2濃度下，隨著土壤中Cd含量的增加，45和90 d時(shí)幼苗莖干總黃酮含量總體呈增加的趨勢(shì)，135 d時(shí)無(wú)顯著變化。在高濃度CO2下，隨著土壤中Cd含量的增加，45，90，135 d時(shí)幼苗莖干總黃酮含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)土壤中Cd含量為0.45 mg/kg時(shí)，45和90 d時(shí)莖干總黃酮含量隨CO2濃度升高無(wú)明顯變化，135 d時(shí)則顯著升高；當(dāng)土壤中Cd含量為4.5 mg/kg時(shí)，45 d時(shí)莖干總黃酮含量隨CO2濃度升高而顯著降低，90 d時(shí)無(wú)顯著變化，而135 d時(shí)則顯著升高。此外，除幼苗生長(zhǎng)45 d時(shí)大氣CO2濃度+Cd0、大氣CO2濃度+Cd2處理,135 d時(shí)大氣CO2+Cd1處理及90 d時(shí)高濃度CO2+Cd1處理下刺槐幼苗莖干檢測(cè)到刺槐苷之外，在莖干中未檢出其他類型黃酮單體。

由圖2 可知，無(wú)論是在高濃度CO2還是在大氣CO2濃度下，隨著土壤中Cd含量的增加，45 d時(shí)幼苗根系總黃酮含量呈先降低后升高趨勢(shì)，而90 d呈先升高后降低趨勢(shì)，135 d時(shí)總體呈增加趨勢(shì)。大氣CO2濃度下，45，90和135 d時(shí)，根系槲皮素含量在0.45～4.5 mg/kg Cd污染下顯著增加，且45 d時(shí)根系槲皮素含量最高。高濃度CO2下，45和90 d時(shí)根系槲皮素含量在0.45～4.5 mg/kg Cd污染下均降低，而135 d時(shí)根系槲皮素含量在0.45 mg/kg Cd污染下無(wú)顯著變化，而在4.5 mg/kg Cd污染下顯著增加。此外，高濃度CO2降低了Cd污染下根系槲皮素含量。方差分析結(jié)果(表2)表明，除CO2單因素、Cd與時(shí)間交互因素外，時(shí)間、CO2和Cd交互作用對(duì)莖干總黃酮含量均有顯著或極顯著影響；時(shí)間、Cd和CO2單一因素及其交互作用對(duì)根系總黃酮和槲皮素含量均有極顯著影響。

2.3 不同處理刺槐幼苗莖干C、N、Cd含量及C/N的變化

由表3可知，大氣CO2濃度下，135 d時(shí)，與0和4.5 mg/kg Cd處理相比，0.45 mg/kg Cd處理莖干C含量顯著降低，而45和90 d時(shí)3個(gè)處理之間無(wú)顯著差異。45 d時(shí)，0.45和4.5 mg/kg Cd處理莖干N含量較未添加Cd處理顯著降低；90 d時(shí)，0.45 和4.5 mg/kg Cd處理莖干N含量較未添加Cd處理無(wú)顯著變化；135 d時(shí)3個(gè)處理間無(wú)顯著變化。莖干N含量隨生長(zhǎng)時(shí)間表現(xiàn)為135 d>90 d>45 d。莖干C/N在不同生長(zhǎng)時(shí)間表現(xiàn)為45 d>90 d>135 d。莖干Cd含量隨著土壤Cd含量的增加而升高。

表3 大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗莖干C、N、Cd含量及C/N的影響(n=3)Table 3 Effect of elevated atmospheric CO2 on C,N,Cd content and C/N ratio in stem of Robinia pseudoacacia L.seedlings under Cd exposure (n=3)

由表3可知，高濃度CO2下，與0.45 mg/kg Cd處理相比，45和135 d時(shí)4.5 mg/kg Cd處理刺槐幼苗莖干C含量顯著增加，90 d時(shí)二者之間無(wú)顯著差異。不同生長(zhǎng)時(shí)間下刺槐幼苗莖干N含量均隨土壤中Cd含量的增加而降低，且在不同生長(zhǎng)時(shí)間表現(xiàn)為135 d>90 d>45 d。刺槐幼苗莖干C/N隨土壤中Cd含量增加而升高，且在不同生長(zhǎng)時(shí)間總體表現(xiàn)為45 d>90 d>135 d。莖干Cd含量隨著土壤Cd含量的增加而升高。

方差分析結(jié)果(表4)表明，時(shí)間、Cd和CO2單一因素及其交互作用對(duì)莖干N、Cd含量和C/N有顯著或極顯著影響。

表4 大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗莖干C、N、Cd含量及C/N影響的三因素方差分析的F值 Table 4 The F value from three-way ANOVA on effect of elevated atmospheric CO2 on C,N,Cdcontent and C/N ratio in stem of Robinia pseudoacacia L. seedlings under Cd exposure

2.4 不同處理刺槐幼苗根系C、N、Cd含量及C/N的變化

由表5可知，大氣CO2濃度下，與0和0.45 mg/kg Cd處理相比，45，90和135 d時(shí)4.5 mg/kg Cd處理根系C含量明顯增加，且根系C隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。45 d時(shí)Cd處理根系N含量較未添加Cd處理顯著降低，135 d時(shí)顯著增加，90 d時(shí)隨土壤中Cd含量升高先增加后減少，且根系N含量隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)為逐漸增加。根系C/N隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低。

表5 大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗根系C、N、Cd含量及C/N的影響(n=3)Table 5 Effect of elevated atmospheric CO2 on C,N,Cd content and C/N ratio in roots of Robinia pseudoacacia L. seedlings under Cd exposure (n=3)

由表5還可知，高濃度CO2下，45和135 d時(shí)，與0和0.45 mg/kg Cd處理相比，4.5 mg/kg Cd處理根系C含量顯著增加；90 d時(shí)，隨著土壤中Cd含量增加根系C含量降低。45 d時(shí)，0.45和0.45 mg/kg Cd處理刺槐幼苗根系N含量較0 mg/kg Cd處理增加；90和135 d時(shí)，根系N含量隨土壤Cd含量的增加而降低;不同生長(zhǎng)時(shí)間下根系N含量總體表現(xiàn)為45 d<90 d<135 d。根系C/N在不同時(shí)間表現(xiàn)為45 d>90 d>135 d。45和135 d時(shí)，根系Cd含量均隨土壤Cd含量升高而增加；90 d時(shí)，幼苗根系Cd含量隨土壤Cd含量升高先降低后增加。

方差分析結(jié)果(表6)表明，時(shí)間、Cd和CO2單一因素及其交互作用對(duì)根系N和C/N有極顯著影響。

表6 大氣CO2濃度升高對(duì)土壤Cd污染下刺槐幼苗根系C、N、Cd含量及C/N影響的三因素方差分析的F值Table 6 The F value from three-way ANOVA on effect of elevated atmospheric CO2 on C,N,Cd content and C/N ratio in roots of Robinia pseudoacacia L. seedlings under Cd exposure

2.5 根圍土壤黃酮積累與幼苗莖干和根系總黃酮、C、N及Cd含量的關(guān)系

由表7可知，根圍土壤總黃酮含量與莖干總黃酮含量和根系C、Cd、C/N呈顯著或極顯著正相關(guān)，而與莖干和根系N含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；根圍土壤槲皮素含量與幼苗莖干總黃酮和根系C、C/N、槲皮素、Cd含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，而與莖干和根系N呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。

表7 刺槐幼苗根圍土壤總黃酮和槲皮素與幼苗莖干和根系總黃酮、C、N、Cd含量的相關(guān)性Table 7 Correlation between flavonoids in rhizosphere soil and flavonoids,C,N and Cd contents in stem and roots of Robinia pseudoacacia L. seedlings and soil characteristics

3 討 論

根際土壤中的黃酮主要來(lái)源于根系分泌物、枯枝落葉等植物殘?bào)w分解及根系分泌等，由于本研究刺槐幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的落葉及盆中雜草均進(jìn)行及時(shí)清理，因此根圍土壤黃酮可能主要來(lái)源為幼苗根系分泌及根系脫落物。有研究表明，20%～40%的光合產(chǎn)物可轉(zhuǎn)移到地下，以根系分泌物及根系脫落物的形式進(jìn)入土壤[22]，而大氣CO2濃度升高亦可通過(guò)促進(jìn)植物凈光合速率來(lái)增加初級(jí)代謝產(chǎn)物分配到次生代謝物合成中的比例[23]，從而可提高轉(zhuǎn)運(yùn)到根系次生代謝物的比例。本研究中，單一高濃度CO2處理刺槐幼苗根圍土壤總黃酮和槲皮素含量較大氣CO2濃度處理增加，表明CO2升高對(duì)刺槐幼苗根圍土壤總黃酮和槲皮素合成有促進(jìn)作用。幼苗生長(zhǎng)45和135 d時(shí)，單一高濃度CO2處理刺槐幼苗莖干和根系總黃酮和槲皮素含量較大氣CO2處理總體降低，表明CO2升高對(duì)刺槐幼苗莖干和根系總黃酮和槲皮素合成無(wú)促進(jìn)作用，大氣CO2濃度倍增對(duì)刺槐幼苗未產(chǎn)生毒性，故莖干和根系非酶抗性物質(zhì)的合成量會(huì)降低，因此莖干和根系黃酮含量降低，然而根圍土壤總黃酮含量增加，暗示了作為化感類物質(zhì)的黃酮受根圍土壤微生物的分解代謝較少，故積累會(huì)相對(duì)增加。此外，大氣CO2濃度升高下根圍土壤總黃酮含量隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間降低與莖干總黃酮含量的降低有關(guān)。

已有研究表明，Cd會(huì)誘導(dǎo)植物細(xì)胞合成黃酮等抗氧化性次生代謝物[24-25]。與大氣CO2濃度+0.45～4.5 mg/kg Cd處理相比，高濃度CO2+0.45～4.5 mg/kg Cd處理刺槐幼苗根圍土壤總黃酮含量隨土壤中Cd含量升高的變化特征與莖干中相似，表明CO2和Cd耦合條件下幼苗根圍土壤總黃酮含量可能主要與莖干總黃酮合成有關(guān)，且二者間的極顯著相關(guān)性也說(shuō)明了這一點(diǎn)。此外，盡管根圍土壤總黃酮含量和根系總黃酮含量之間未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，但根系分泌的黃酮可能對(duì)根圍土壤總黃酮含量有一定的影響，這是因?yàn)楦鶉寥揽傸S酮含量與根系Cd含量之間呈顯著正相關(guān)，則表明根系吸收的Cd會(huì)調(diào)節(jié)其黃酮的分泌，從而影響根圍土壤總黃酮含量。此外，90 d時(shí)，高濃度CO2+0.45～4.5 mg/kg Cd處理根系Cd和總黃酮含量較大氣CO2濃度+0.45～4.5 mg/kg Cd均降低，說(shuō)明Cd誘導(dǎo)了幼苗根系黃酮合成量下降，從而減少了根系黃酮的分泌，故90 d時(shí)高濃度CO2+Cd處理根圍土壤總黃酮和槲皮素含量較大氣CO2濃度+Cd處理降低。135 d時(shí)，當(dāng)土壤中Cd含量為0.45～4.5 mg/kg時(shí)，與大氣CO2濃度處理相比，CO2濃度升高顯著提高根圍土壤總黃酮含量，這可能與幼苗根系生物量的顯著增加有關(guān)[26]。生物量的增加會(huì)提高黃酮合成量并促進(jìn)根系黃酮對(duì)根圍土壤的分泌，由此使根圍土壤黃酮含量升高。此外，CO2和Cd耦合處理下根圍土壤總黃酮和槲皮素含量在幼苗不同生長(zhǎng)時(shí)間的差異表明，CO2對(duì)Cd處理下根圍土壤黃酮含量的影響與幼苗生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)，然而4.5 mg/kg Cd處理下根圍土壤總黃酮和槲皮素的含量隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間的變化特征與莖干和根系黃酮相反，這可能與高濃度CO2下根圍土壤DTPA-Cd(可溶性Cd)增加有關(guān)[26]。DTPA-Cd的增加會(huì)抑制根圍土壤微生物活性，從而減少黃酮的微生物分解代謝，由此表現(xiàn)出隨幼苗生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量增加現(xiàn)象。此外，本課題組已有研究表明，與大氣CO2濃度處理相比，幼苗生長(zhǎng)45和90 d時(shí)高濃度CO2顯著提高了Cd污染下的根系生物量[26]。根系生物量的增加會(huì)引起其分泌大量小分子有機(jī)化合物于根圍土壤，并促使根圍土壤微生物增殖[27]，從而會(huì)提高黃酮類化合物被微生物分解的比例，這可能是45和90 d時(shí)高濃度CO2+4.5 mg/kg Cd處理下根圍土壤總黃酮和槲皮素含量較大氣CO2濃度+4.5 mg/kg Cd處理下降的一個(gè)原因。

4 結(jié) 論

當(dāng)土壤中Cd含量為0～0.45 mg/kg時(shí)，隨土壤中Cd含量的升高，CO2濃度升高對(duì)刺槐幼苗根圍土壤和莖干、根系的總黃酮、槲皮素以及莖干和根系C、N、Cd含量影響較大，但未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。相關(guān)性分析表明，莖干的N、總黃酮以及根系的C、N和Cd含量對(duì)根圍土壤總黃酮和槲皮素含量影響較大。