毛竹根際與非根際土壤重金屬、理化性質及酶活性特征

郭 華,陳俊任,鐘 斌,劉 晨,吳家森,何麗芝,葉正錢,柳 丹

省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室,浙江省土壤污染生物修復重點實驗室,浙江農林大學, 臨安 311300

毛竹根際與非根際土壤重金屬、理化性質及酶活性特征

郭 華,陳俊任,鐘 斌,劉 晨,吳家森,何麗芝,葉正錢,柳 丹*

省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室,浙江省土壤污染生物修復重點實驗室,浙江農林大學, 臨安 311300

于2014年2月至2015年1月在浙江省衢州市鉛鋅礦附近毛竹林地采集土樣,對土壤重金屬含量、pH以及土壤酶活性等的動態變化特征進行了研究。結果表明：根際土與非根際土的pH在1a中變化均不明顯,且變化范圍都處在4.50—4.85之間；非根際土的土壤含水率大于根際土,兩者的變化幅度較大,最低值均出現在6月和10月；根際土中Zn和Cd的有效態含量遠高于非根際土,而Pb的有效態含量則表現出非根際土大于根際土的特點；過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶在根際土中的活性明顯高于非根際土；從土壤重金屬有效態與土壤酶活性相關性來看,根際土中,除有效態Pb與過氧化氫酶呈顯著負相關外,其余重金屬元素有效態與土壤酶活性相關性均沒有顯著相關性,而在非根際土壤中,有效態Cd與過氧化氫酶呈極顯著負相關,與脲酶呈顯著負相關,Zn和Cd則與土壤酶活性之間沒有顯著相關性。綜合研究結果表明,毛竹根際土壤質量總體上明顯優于非根際土,這為毛竹今后作為植物修復的材料提供了一定的理論依據。

毛竹；根際土；非根際土；重金屬有效態；土壤酶活性

根際是研究植物、土壤、微生物之間相互聯系的重要生態領域[1],很多學者在園林綠化、土壤退化[2-3]、人造林[4-5]、土壤修復[6]等相關領域已經開展了植物根際相關研究,而且根際土壤與非根際土壤之間土壤特性的差異性研究得到關注較多。

植物根圍區域是指與植物根系發生緊密聯系并相互作用的土壤區域,是植物生長過程中形成的物理、化學、生物學性質不同于非根圍區的小型生態系統[7]。有研究表明,植物根圍尤其是根際小區域,由于植物根系的分泌作用,其酸堿性、氧化還原電位及微生物種群與一般土層土壤具有較大差異[8],因此,近年來圍繞根際環境在土壤污染及植物修復中的地位與作用的相關研究已成為國內外環境學和生態學研究的一大熱點[9]。

毛竹是我國面積最大,分布最廣的經濟竹種。據第八次全國森林資源清查報告顯示,我國當前共有毛竹林386 萬hm2,占竹林資源的70%左右。毛竹具有極強的環境適應性,同其他類型的無性系植物一樣,毛竹無性系種群具有強烈的生理整合能力,能夠集群抵御不良環境的影響[10]。對于土壤的選擇,毛竹適宜生長在疏松、肥沃、濕潤、板巖或頁巖發育的黃紅壤[11],其最適pH 為4.5—7.0[12],同時具有一定的耐鹽堿性[13]。如果毛竹可以作為修復應用材料投入使用,其具備較強的環境適宜性[14]。因此,為了篩選出毛竹根系活性最強的時間,在其對重金屬活化能力最大的時候添加強化劑以加強植物修復的能力,本文以重金屬污染區毛竹林為研究對象,探討了毛竹的根際與非根際土壤重金屬有效態含量、酶活性以及土壤理化性質在1年內的動態變化特征,以期為毛竹作為土壤重金屬污染“生物修復型”樹種提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 樣品采集

調查研究區域位于衢州市上方鎮,該地區是典型的鉛鋅礦區,其開采歷史有300多年可以追溯到明末清初時期,鉛鋅礦山分布在河流源頭周圍存在居民區和農田耕地,并且是浙江省主要的毛竹產地和食用竹筍出產的地區；區域屬于亞熱帶氣候年平均氣溫度為16.8℃,平均年降雨量1632.5 mm。

經測定分析,該地區背景土壤中Pb、Zn和Cd的濃度分別為：542.02 mg/kg和405.29 mg/kg和1.04 mg/kg[15],這3種重金屬濃度都均超過了浙江省土壤背景值[16]。Pb的最大值(3237.6 mg/kg)是最大允許值(250.00 mg/kg)的13倍,Zn的最大值(2792.5 mg/kg)是最大允許值(200.0 mg/kg)的大約14倍,Cd的平均含量(1.0 mg/kg)是最大允許值(0.3 mg/kg)的3倍多。結果表明,土壤Zn、Pb和Cd的含量可能對土壤環境造成嚴重風險[15]。

為保證數據的可靠性,選取礦山口附近適當距離并具有代表性的毛竹9株,挖出細根,采用抖落法采集根際土壤樣品,并將土壤樣品進行混合得到樣品數1個。在各樣地內距離毛竹一定距離的地方沿“S”形采集0—20 cm的非根際土,將所采集土樣混合為1個樣品。采樣時間為2014年2月—2015年1月,時間長度為12個月份,在每個月同一時間進行采樣,每月采集樣品2個,總共采集樣品24個。

1.2 土壤樣品預處理及測定方法

將采集的土壤樣品置于背光通風處自然風干,剔除夾雜其中的石頭、根及枝葉等,研磨后過10目尼龍篩,密封存儲于封口袋中備用。土壤分析項目包括土壤基本性質和重金屬有效態,其中,(1)土壤基本性質：PH用水土比(2.5∶1)電極法測定；土壤含水率用烘干法測定(105℃)；土壤呼吸強度用堿液吸收法測定；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法(FE)測定；(2)土壤酶：脲酶用活性用尿素在檸檬酸緩沖液(pH=6.7)水解生成的方法測定；過氧化氫酶活性運用注入土壤中的過氧化氫在反應后剩余量的方法測定；磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定；脫氫酶用TTC分光光度法測定；土壤重金屬有效態Pb、Zn、Cu、Cd以0.1mol/LCaCl2浸提,取上清液,采用美國PE公司ICP-OES7000DV電感耦合等離子體發射光譜儀測定。

2 結果

2.1 土壤PH和含水率

土壤PH及含水率的動態變化特征見圖1。從中可以看出,根際土壤pH值在不同時間變化明顯,其中3月份最低,6月份最高,而非根際土壤變化幅度較小,但兩者變化范圍均在4.50—4.85之間浮動,說明根系吸收能力對根際土pH值并沒有顯著影響。根際與非根際土壤的含水率變化趨勢基本相同,其中最低值均出現在6月份和10月份,但由于毛竹生長需要吸收水分,非根際土壤的含水率普遍高于根際土。

圖1 毛竹根際與非根際土壤pH和含水率動態變化Fig.1 Dynamic change of pH and moisture content of rhizosphere and non-rhizosphere soil in Moso bamboo

2.2 土壤呼吸作用和微生物量碳動態變化特征

對廠區無組織排放廢氣，根據風向在廠界周圍處布點監測，上風向設1對照點（○4），下風向設3個監控點（○1～○3），共布設4個監測點，監測項目為顆粒物。監測結果及監測期間的氣象條件見表3。

由圖2所示結果可知,與非根際土相比,根際土的土壤呼吸強度有顯著提高,其在1年中的變化值是非根際土壤呼吸強度的0.7—2.2倍,說明毛竹根系對土壤呼吸有明顯的影響作用。土壤中微生物碳含量無論是在根際土還是非根際土中,均表現出在7月份到次年1月份含量較高的特點,并且與非根際土相比,根際土的微生物量碳都有不同程度的提高。

2.3 重金屬有效態含量動態變化特征

通過對采集的24個土樣進行測定,毛竹林地中土壤重金屬有效態含量及其變化規律如圖3所示。結果表明,Zn和Cd在毛竹根際土壤中的含量明顯高于非根際土壤,且在根際土中兩種重金屬的含量表現出明顯的動態變化趨勢,6、7、8月3個月份明顯高于其他時間。Pb則表現出非根際土含量高于根際土的特征。相對于非根際土來說,根際土的重金屬有效態含量變化幅度更大,這可能是由于不同季節毛竹的生長狀況受土壤溫度、濕度等因素的影響,其根系活動程度的不同所造成的結果。

圖2 毛竹根際與非根際土壤呼吸及微生物量碳動態變化Fig.2 Dynamic change of respiration and microbial biomass carbo of rhizosphere and non-rhizosphere soil in Moso bamboo

圖3 毛竹林根際與非根際土壤重金屬有效態含量動態變化Fig.3 Dynamic change of absorbable metals of rhizosphere and non-rhizosphere soil in Moso bamboo

2.4 土壤酶活性變化特征

從圖4可知,由于一年四季氣候不同,土壤的濕度、有機質供應狀況等性質在變化,土壤酶活性也在變化,并且根際土中過氧化氫酶、磷酸酶及脲酶的活性顯著高于非根際土。另外,除個別點外,非根際土的4種酶的活性值在一年內均表現出基本相同的發展趨勢,并且變化范圍較小,而根際土的酶活性在不同時間內變化幅度較大,但基本上都呈現出2—6月份先升高,7—10月有所下降,繼而升高的趨勢。

圖4 毛竹根際與非根際土壤酶活性動態變化Fig.4 Dynamic change of enzymatic activity of rhizosphere and non-rhizosphere soil in Moso bamboo

2.5 土壤重金屬有效態與土壤酶活性相關關系

表1是土壤重金屬有效態與土壤酶活性的相關系數矩陣。分析結果表明,在根際土中,有效態Pb與過氧化氫酶的活性表現出顯著負相關性,其余各重金屬元素與土壤酶活性之間的關系都不顯著。而在非根際土中,除有效態Cd與過氧化氫酶和脲酶表現出顯著負相關性之外,其余重金屬有效態與酶活性之間也并不存在明顯的相關性。

表1 土壤重金屬有效態與土壤酶的相關系數矩陣

**表示相關極顯著(P≤0.01), *表示相關顯著(P≤0.05)

3 分析與討論

土壤酸堿度是土壤重要的基本性質之一,也是土壤形成過程和熟化培肥過程的一個指標,對土壤中養分存在的形態和有效性,土壤的理化性質、微生物活動以及植物生長發育都有很大的影響[17]。公慶黨等[18]研究發現,根系活力與根際土pH值變化的相關性不明顯,這與本實驗得出結果一致,雖然根際土的pH值在不同時間有所波動,但與非根際土相比,兩者變化范圍均處于4.50—4.85之間,說明毛竹根系吸收能力對根際土pH無明顯影響。

土壤呼吸是表征土壤質量和肥力的重要生物學指標,它反映了土壤生物活性和土壤物質代謝的強度,而根系分解速率與根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率有強相關性[19]。韓廣軒等[20]通過對玉米農田土壤呼吸作用的空間異質性及其根系呼吸作用的貢獻研究發現,較高的土壤呼吸速率通常出現在靠近玉米植株的地方。從本實驗結果也可以看出,由于受到土壤溫度、水分等因素的季節變化,土壤呼吸速率有所波動,但毛竹根系土壤呼吸速率明顯高于非根際土,尤其是在5月、7月和8月份,根際土的呼吸速率均達到非根際土呼吸速率的3倍以上。

土壤微生物量碳是土壤有機碳的重要組成部分,參與土壤發生發育的全過程[21-22]。土壤微生物量碳的任何變化,都會對土壤碳、氮、磷等的植物有效性及陸地生態系統的物質循環產生深遠影響[23-24]。土壤微生物量碳對所生存的環境十分敏感,被公認是土壤生態系統變化的預警和敏感指標,可作為土壤質量和土壤總有機質變化的早期預測指標[25-27]。本研究中,土壤微生物量碳隨著時間的變化呈現出上升的趨勢,尤其是在7—10月份,無論是根際土還是非根際土,其微生物量碳都明顯高于其他時間的微生物量碳含量。另外,除6月份外,其余時間根際土壤微生物碳含量均表現出高于非根際土的特征,這可能是由于根系分泌物為土壤微生物提供了大量的營養和能源物質,因而根際微生物不僅種類和數量遠高于非根際土壤,其代謝活動也比非根際微生物高。所以根際是微生物代謝活動特別旺盛的場所,而微生物活動能加快土壤中碳、氮、磷的分解及其他礦質元素的活化[28]。

重金屬在土壤中的形態分為水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘留態等,其中水溶態、離子交換態統稱為有效態[29]。土壤中有效態的重金屬元素易于轉化和遷移,最容易被農作物吸收利用而進入食物鏈,從而其帶來的生物有效性及環境風險程度最高[30]。本實驗研究可知,Pb、Zn、Cd 3種重金屬在根際與非根際土中的有效態含量表現為Pb>Zn>Cd,并且Pb的有效態含量顯著大于其它兩種重金屬元素。其中,Zn和Cd兩種重金屬元素在根際土中的有效態含量明顯高于非根際土,且在根際土中表現出明顯的季節變化規律,在6—9月份即夏季時間段有效態含量達到最高,這可能是由于該時間內土壤溫度和水分含量較高等造成根系活動旺盛,從而對土壤中重金屬的活化能力變強。而Pb則表現出與Zn和Cd相反的特征,不論是在根際還是非根際土中,其含量均沒有明顯的季節性變化,且其在非根際土中的有效態含量是根際土中的3—5倍,這可能是由于根系分泌物與Pb結合形成沉淀,從而導致其在根際土中有效態含量較低。

土壤酶參與了土壤中所發生的所有生化反應,推動了營養物質碳、氮、磷和其他元素循環轉化、能量代謝和污染物質凈化等,并成為土壤生態系統的核心[31-33]。根際內微生物數總是比根際外要高得多,當微生物受到環境因素刺激時,便不斷向周圍介質分泌酶,致使根際內外酶活性存在很大差異[34]。本實驗結果顯示,根際土中過氧化氫酶、磷酸酶、脫氫酶和脲酶四種土壤酶的活性均高于非根際土。過氧化氫酶的活性表征土壤腐殖質化強度大小和有機質積累程度,與有機質含量有關,所以過氧化氫酶的活性是人們很早就建議用來作為土壤肥力的指標[35]。由圖4可知,根際土中過氧化氫酶的活性隨著時間的變化呈現出上升趨勢,而在非根際土中則沒有表現出明顯的規律性。磷酸酶是有機磷轉化的關鍵性酶[36],土壤中有機磷是在它的作用下才能轉化成可供植物吸收的無機磷。本實驗中,根際土壤的磷酸酶活性顯著大于非根際土,尤其是在6—9月份期間,其活性是非根際土壤的3—4倍。脲酶所參與的酶促反應是植物氮源之一,其活性反應土壤有機氮向有效態氮的轉化能力和土壤無機氮的供應能力。由圖4顯示可以發現,相對于過氧化氫酶和磷酸酶,脲酶活性較低,但除2月份以外,根際土中的脲酶活性也表現出大于非根際土的特征。脫氫酶屬于氧化還原酶系,它自一定的基質中析出氫或氫的供體而進行氧化作用,反映土壤微生物新陳代謝的整體活性,可以作為微生物氧化還原能力指標。由于受到土壤溫度及水分含量的影響,毛竹根際土中脫氫酶活性在2—5月份較低,從6月份開始呈現出上升的趨勢。而在非根際土中,脲酶活性變化正好同根際土中脲酶活性變化規律相反。

4 結論

(1)毛竹林根際土與非根際土相比,pH和含水率均沒有顯著差異,且變化趨勢基本一致。

(2)根際土中重金屬Zn和Cd的有效態含量顯著高于非根際土,說明毛竹根系對土壤重金屬Zn和Cd的活化能力較強,而有效態Pb在非根際土中的含量明顯高于根際土。

(3)過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶等在根際土壤中的活性明顯高于非根際土,這說明毛竹林生長能夠有效改善根際土壤環境,提高有關土壤酶活性。

(4)根際土中,有效態Pb與過氧化氫酶呈顯著負相關,非根際土中,有效態Cd與過氧化氫酶、脲酶分別呈極顯著負相關和顯著負相關,其余重金屬元素與土壤酶活性之間均沒有顯著相關性。

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Heavymetalconcentration,enzymeactivity,andphysicalandchemicalpropertiesofrhizosphereandnon-rhizospheresoilscontainingMosobamboo

GUO Hua, CHEN Junren, ZHONG Bin, LIU Chen, WU Jiasen, HE Lizhi, YE Zhengqian, LIU Dan*

StateKeyLaboratoryofSuropicalSilviculture,KeyLaboratoryofSoilContaminationBioremediationofZhejiangProvince,ZhejiangAgricultureandForestryUniversity,Lin′an311300,China

The rhizosphere is an important ecological region that is utilized to study the relationships among plant communities, soil, and microbial communities. In the plant rhizosphere area, particularly in the small region near the root of the plant, there are great differences in acid-base properties, redox potential, and microbial populations than in the general soil because of root secretions. Phytoremediation is a new technology that employs hyperaccumulator plants to remove pollutants from the environment or to render them harmless. Therefore, research focusing on the status and function of the rhizospheric environment in relation to soil contamination has become important in recent years. Moso bamboo is an economic bamboo species that occupies the largest area and is the most widespread species in China. Because of its strong environmental suitability, it is believed that Moso bamboo could be utilized to repair future environmental pollution. To establish the time during which the activity of the root system is optimum, the dynamic changes in soil heavy metal concentration, pH, and soil enzymes were analyzed in the present study. Soil samples were collected from the Moso bamboo forestry near a lead/zinc mine in Quzhou, Zhejiang province, from February 2014 to January 2015. We collected one rhizosphere soil sample and one non-rhizosphere sample during each sampling period. All of the soil samples were a mixture from several sites, with 24 samples in total. The results demonstrated that the pH of the rhizosphere and non-rhizosphere soil for Moso bamboo remained constant during the sampling period, with numbers ranging from 4.50 to 4.85. Water content in the rhizosphere soil was greater than that in the non-rhizosphere, and there was great variation between them, with minimum values measured in June and October. The available Cd and Zn contents of rhizosphere soil were significantly higher than those of non-rhizosphere soil, with the converse occurring for available Pb. The activities of catalase, phosphatase, urease, and dehydrogenase in rhizosphere soils were significantly higher than those in non-rhizosphere soils. There was no significant correlation between soil enzyme activities and absorbable heavy metal concentrations. In rhizosphere soil, only available Pb was significantly negatively correlated with catalase. However, there were highly significant correlations between available Cd and catalase, while the correlation between Cd and urease was negatively significant in non-rhizosphere soil. Our results showed synthetically that the quality of rhizosphere soil was better than that of the non-rhizosphere soil, which could provide some foundation for the application of Moso bamboo as a plant material for renovation.

Moso bamboo; rhizosphere; non-rhizosphere; heavy metal; enzyme activity

國家自然科學基金(No. 31670617);浙江省科技廳重點研發項目(2015C03G 4010004)

2016- 06- 20; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liudan7812@aliyun.com

10.5846/stxb201606201199

郭華,陳俊任,鐘斌,劉晨,吳家森,何麗芝,葉正錢,柳丹.毛竹根際與非根際土壤重金屬、理化性質及酶活性特征.生態學報,2017,37(18):6149- 6156.

Guo H, Chen J R, Zhong B, Liu C, Wu J S, He L Z, Ye Z Q, Liu D.Heavy metal concentration, enzyme activity, and physical and chemical properties of rhizosphere and non-rhizosphere soils containing Moso bamboo.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6149- 6156.