不同镉胁迫条件对土壤微生物活性的影响

石松林 雷盈 覃紫其

摘要    通过设计4种镉污染梯度、2种种植条件[有、无百日草（Zinnia elegans）]，选择土壤基础呼吸强度、脲酶活性、过氧化氢酶活性等3种反映土壤微生物活性的关键指标，探究了不同镉胁迫条件对土壤微生物活性的影响特征。结果表明，土壤基础呼吸强度、脲酶活性和过氧化氢酶活性与镉胁迫程度均大致成负相关，随着镉浓度增加，土壤脲酶活性呈反比例函数型下降趋势，土壤过氧化氢酶活性呈正弦曲线变化规律;种植百日草能促进土壤基础呼吸强度、脲酶活性和过氧化氢酶活性，提高不同微生物活性指标受镉胁迫影响的相关性;在种植百日草条件下，镉胁迫对土壤微生物活性的影响与不种植百日草条件相似，其中2种条件下的过氧化氢酶受镉胁迫的影响基本无差异。

关键词    镉胁迫;土壤微生物活性;土壤基础呼吸;土壤酶活性;百日草

中图分类号    X53        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）23-0153-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

随着国民经济的快速发展，镉污染已成为我国土壤污染中重大环境问题之一，严重影响着我国粮食安全和居民健康[1]。据报道，我国受镉污染的耕地面积超过1.33万hm2，污染区稻米中镉含量远高于食品安全标准[2]。镉对土壤基础呼吸、酶活性和微生物类群破坏大，可导致土壤生态系统严重失衡、农作物镉含量超标，影响区域生态安全和居民健康[3-6]。因此，开展镉污染区土壤修复工作至关重要。

土壤基础呼吸强度、酶活性是反映镉污染对土壤微生物活性影响的敏感指标[7-9]。土壤基础呼吸反映了土壤微生物、植物根系主要代谢过程，土壤酶在有机物分解、无机物质转化、污染物降解及修复等方面起着重要作用[10-11]。已有研究表明，镉污染对土壤生态系统及其微生物活性具有明显负作用[12-14]，对土壤酶活性具有抑制作用[15-17]。也有学者发现，低浓度镉污染对土壤酶活性具有一定的促进作用[18]。

百日草（Zinnia elegans）对重金属镉具有较强的耐性和富集性，可用于镉污染土壤修复[19-22]。目前，利用百日草修复镉污染土壤对土壤微生物活性的影响机理还不清楚。本研究通过设计4种镉污染梯度、2种种植条件（有、无百日草），选择土壤基础呼吸强度、脲酶活性、过氧化氢酶活性3种反映土壤微生物活性的关键指标，探究不同镉胁迫条件对土壤微生物活性的影响特征，旨在解决以下2个关键科学问题：不同镉胁迫水平对土壤微生物活性影响程度如何;镉污染土壤中种植百日草是否会有利于土壤微生物活性。

1    材料与方法

1.1    试验材料

1.1.1    植物材料。百日草（Zinnia elegans）又名百日菊，是菊科百日菊属一年生草本，喜温暖、光照充足环境，耐干旱和贫瘠土壤。试验用百日草均为种子萌发产生，种子为网上采购。

1.1.2    土壤基质。试验土壤采于成都理工大学校园内贫瘠土壤区，采集表层土壤（0～20 cm），经自然风干、磨碎后均匀混合，过2 mm筛，与河沙1∶1充分混合后装盆。混合后土壤基质理化性质为pH值6.67，含水率24.31%，有机碳含量2.04 g/kg，全镉含量1.12 mg/kg。

1.2    试验设计

将配置好的土壤装于口径15.6 cm、盆径11.2 cm、高13.8 cm的塑料盆中，每盆装约2 kg。设置2种种植条件，分别标记为有百日草（A1）和无百日草（A2）;A1和A2分别设置4个镉浓度梯度处理，分别标记为对照（不加镉，CK）和加镉30 mg/kg（S1）、60 mg/kg（S2）、120 mg/kg（S3），每种处理3个重复。

1.3    试验实施

在试验之前，为培养、形成均质化的土壤理化條件，将土壤含水量调节至40 %（田间最大持水量），并用透气的薄膜封口，常温下培养7 d后，加入用CdCl2·2.5H2O配置的不同浓度镉溶液，并搅拌均匀。A1组在土壤加入重金属后，每盆移栽3株株高长势一致的百日草。为保持整个试验过程土壤含水量不变，采用称重差减法每隔3 d调节1次土壤水分。整个试验持续27 d，然后取土样测土壤基础呼吸强度、脲酶活性及过氧化氢酶活性。

1.4    测定方法

1.4.1    土壤基础呼吸强度。采用室内密闭碱液吸收法测定[23]，以每小时1 kg土壤二氧化碳的释放量（mg）表示。

1.4.2    脲酶。采用苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性[24]，以培养24 h后1 g土壤中NH3-N的含量（mg）表示。

1.4.3    过氧化氢酶。采用高锰酸钾滴定法测定[25]，以振荡30 min后1 g土壤消耗0.002 mol/L高锰酸钾量（mL）表示。

1.5    數据处理与分析

采用SPSS 22.0进行描述性统计和相关性分析，并使用Origin 2019作图。

2    结果与分析

2.1    镉胁迫对土壤基础呼吸的影响

由图1可知，土壤基础呼吸强度与镉污染程度成负相关关系，种植百日草对土壤基础呼吸强度有一定的促进作用。比较不同镉胁迫水平对土壤基础呼吸强度影响发现，S1组（30 mg/kg）明显好于其他组，有、无百日草种植的S1组分别比各自对照组高20.00%和35.29%，说明低浓度镉对土壤基础呼吸具有一定促进作用;有、无百日草种植的S3组均小于各自对照组，说明高镉浓度胁迫条件对土壤基础呼吸有明显抑制作用，抑制率最高可达70%;有百日草种植的S2组>CK，且明显高于无百日草种植的S2组，说明在中低镉浓度（60 mg/kg以下）污染胁迫条件下种植百日草对土壤基础呼吸有一定促进作用。

2.2    镉胁迫对土壤酶活性的影响

由图2、图3可知，镉胁迫对土壤酶活性具有明显的抑制作用，对不同土壤酶活性影响特征不同，而种植百日草能够提高土壤中的酶活性。比较不同镉胁迫水平对土壤脲酶、过氧化氢酶活性影响发现，镉对2种土壤酶活性抑制程度不同，随着镉浓度增加，土壤脲酶活性呈反比例函数型下降，土壤过氧化氢酶活性表现出正弦曲线变化规律。S1组土壤脲酶和过氧化氢酶活性明显小于CK，随着镉浓度增加，土壤酶活性降低速率减小，说明土壤酶活性对镉胁迫的响应比较敏感（尤其在低浓度条件下）。

2.3    镉胁迫下土壤微生物活性的相关性分析

由表1可知，在无百日草条件下，过氧化氢酶活性（CA）与脲酶活性（UA）相关性最高（r=0.860），其他微生物活性指标之间相关性较差，说明不同微生物活性指标受镉胁迫影响差异性较大，过氧化氢酶与脲酶活性受镉胁迫影响的相关性最高。种植百日草后，三者之间均表现较强相关性，表现为脲酶和过氧化氢酶活性相关性最高（r=0.741），土壤基础呼吸强度（SBRI）与脲酶活性的相关性最低（r=0.523），说明种植百日草后，不同微生物活性指标受镉胁迫影响的相关性会提高，百日草有改善土壤环境的作用。2种条件下的土壤基础呼吸强度、脲酶活性和过氧化氢酶活性的相关程度均较高，SBRI（A1）与SBRI（A2）、UA（A1）与UA（A2）和CA（A1）与CA（A2）的相关系数r分别为0.554、0.892和0.969，说明在有、无种植百日草2种条件下，镉胁迫对土壤微生物活性产生的影响相似。其中，过氧化氢酶活性的相关性达到了显著性水平（P<0.05），说明2种条件下的过氧化氢酶活性受镉胁迫的影响基本无差异。

3    结论与讨论

土壤基础呼吸是土壤生态系统碳循环的一个重要组成部分，对地球碳变化有着重要的影响，其呼吸强度是反应土壤污染程度的重要指标[26-27]。本研究表明，土壤基础呼吸强度、脲酶活性和过氧化氢酶活性与镉胁迫程度均大致成负相关，种植百日草能促进土壤基础呼吸强度、脲酶活性和过氧化氢酶活性。这与方  晰等[28]研究结果一致，可能是百日草通过富集作用降低了土壤中镉的含量，从而减少了镉对土壤基础呼吸强度的抑制作用。随着镉浓度增加，土壤脲酶活性呈反比例函数型下降趋势，土壤过氧化氢酶活性表现出正弦曲线变化规律，这可能与土壤酶类型及其受外界环境干扰强度有关。其中，脲酶是一种能催化土壤中尿素分解的胞外水解酶，其活性与土壤中有机质含量关系密切[29]。本试验中，土壤中的脲酶受到重金属的破坏，因而其活性表现为显著下降趋势。过氧化氢酶为胞内氧化还原酶，可分解土壤中的过氧化氢[30]。当重金属镉浓度过高时，土壤微生物死亡并破裂，将体内的过氧化氢酶释放到土壤中，导致过氧化氢酶活性升高，而释放到土壤中的过氧化氢酶受到高浓度镉毒害后，失去其活性，从而导致活性下降。不同微生物活性指标受镉胁迫影响的差异性较大，在无百日草条件下，过氧化氢酶与脲酶受镉胁迫影响的相关性最高;种植百日草条件下，镉胁迫对土壤微生物活性产生的影响与不种植百日草条件相似，其中2种条件下的过氧化氢酶受镉胁迫的影响基本无差异，这一结果与陈海燕等[31]的结果一致。

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