植物根系活性對菲濃度的響應
——以欒樹、樟樹為例

荊誠然, 姚文藝, 肖培青, 申震洲, 焦 鵬, 馬 力

(黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室, 河南 鄭州 450003)

多環芳烴(PAHs)是一種普遍存在于土壤環境中且具有高毒性的持久性有機污染物[1],多環芳烴在土壤環境中的吸收、積累、降解、轉化、揮發等行為會影響其在土壤中的形態與殘留濃度，進而決定其通過食物鏈的傳遞對人類健康所造成的危害性程度。因此，修復被多環芳烴污染的土壤是目前環境和生態領域中的一個難題[2-3]。大量文獻研究證實，植物具有去除多環芳烴毒性的能力，許多植物能夠在很大程度上去除土壤中的污染物[4],植物修復是一種經濟廉價、高效簡便、美化景觀、不會造成二次污染的綠色技術[5]。而根系分泌物不僅在改變土壤根際區微生物種群數量、組成及其活力等方面發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、草酸和可溶性有機酸的含量均高于空白對照樣本。王姣龍[9]以紫玉蘭、桂花、欒樹和樟樹為試驗材料，對芘脅迫下4種城市常見綠化樹種根系分泌物的成分變化開展了相關研究，發現紫玉蘭和桂花根系分泌物中物質種類與芘濃度呈負相關關系，而欒樹和樟樹根系分泌物中物質種類與芘濃度呈正相關關系。植物向土壤中輸送碳(C)、氮(N)的能力是通過其根系分泌物中TOC，TC及TN含量來反映的[10]。植物在受到一定有害物質脅迫時，其根系分泌物種類和含量會發生變化[11]。總的來說，目前相關研究主要側重于植物根系分泌物成分的變化特征，而對其根系活性及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量的變化關系研究較少。本試驗以欒樹(Koelreuteriapaniculata)、樟樹(Cinnamomumcamphora)作為典型樹種，開展植物根系活性特征及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量之間變化關系的研究，探討這兩個樹種根系分泌物在菲脅迫下的響應機制，為植物修復被多環芳烴污染土壤提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

在中南林業科技大學溫室內開展菲脅迫下欒樹與樟樹根系活性特征及其調控作用的試驗研究。供試材料為苗高和長勢基本一致的1年生欒樹和樟樹實生苗；試驗土壤采自于中南林業科技大學校東園苗圃表層0—20 cm的土壤，屬于我國南方地區常見的紅壤，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，有機質含量為17.59 g/kg，pH值為4.69,屬于酸性土壤。將供試土壤自然風干后，用2 mm土壤篩粗濾待用。將多環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30 d，每日定時定量澆水，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。菲濃度設置為0 mg/kg(L0)，100 mg/kg(L1)，1 000 mg/kg(L2)共3個處理水平[12-13]，分別標記為L0，L1和L2，其中L0為對照試樣。每盆栽種1株供試苗木，每個處理水平設置6份土樣，分組設置采用隨機區組模式。

將不同處理水平的供試苗木用自來水沖洗干凈，再用新制蒸餾水浸泡5 min并反復沖洗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，用錫箔紙將已經進行高溫滅菌處理的廣口瓶包裹好，使根系處在黑暗狀態下，收集過程中保持連續通氣狀態，靜置24 h。根系分泌物分別經過濾紙、濾膜過濾后置于冰箱中，溫度設定為4 ℃保存。將根系分泌收集后的苗木用于根系活性測定。

1.2 測定方法和數據處理

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

2 結果與分析

2.1 根系分泌物中TOC，TC和TN含量對菲濃度的響應關系

以根系分泌物中TC，TOC，TN含量用于衡量欒樹與樟樹對菲濃度的響應程度。試驗表明，欒樹、樟樹根系分泌物中TC，TOC和TN含量均對菲濃度有著明顯的響應關系，且兩個樹種的響應關系基本一致。由圖1可知，欒樹根系分泌物中，對照試樣的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)，相較于對照試樣分別降低了28.4%，36.0%；對照試樣的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相較于對照試樣分別降低了27.6%，34.5%；對照試樣的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，TN含量則隨菲濃度的升高先微升后微降。同時，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。樟樹根系分泌物中，對照試樣的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)，相較于對照試樣分別降低了18.8%，65.5%；對照試樣的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相較于對照試樣分別降低了17.9%，63.1%；對照試樣的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相較于對照試樣分別下降了10.4%，62.0%。總的來說，樟樹根系分泌物中TOC，TC與TN含量隨菲濃度的升高均呈下降趨勢，三個試樣的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(圖1)。進一步分析表明，3個處理水平下，欒樹根系分泌物中TOC，TC，TN含量均高于樟樹。欒樹與樟樹根系分泌物中TC，TOC含量隨菲濃度升高，均呈下降趨勢。欒樹的TC∶TN始終低于樟樹。

圖1 欒樹與樟樹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重要標準。在3個處理水平下，欒樹根系的總吸收面積分別為2.83，4.47和2.97 m2，相應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。樟樹根系的總吸收面積在3個處理水平下分別為2.97，2.50和2.43 m2，相應的活躍吸收面積分別為1.56，1.32和1.30 m2，與欒樹不同的是，樟樹的總吸收面積和活躍吸收面積隨菲濃度升高均呈持續下降趨勢。對照試樣中欒樹的根系總吸收面積和活躍吸收面積均低于樟樹，但在L1和L2水平下，欒樹根系總吸收面積和活躍吸收面積均高于樟樹。顯然，菲的添加對樟樹根系活性的影響比欒樹的更大一些。

2.3 根系分泌物中TOC，TC，TN含量的變化關系

試驗結果表明，隨菲濃度升高，欒樹根系總吸收面積和活躍吸收面積與其根系分泌物中TN含量變化趨勢一致，均呈先升后降趨勢，說明低濃度菲促進了欒樹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，說明菲抑制了欒樹根系分泌碳素。欒樹根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TN含量分別呈正相關關系，而總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TOC，TC含量分別呈負相關關系。樟樹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。樟樹根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系分泌物中TOC，TC，TN含量呈負相關關系，說明菲抑制了樟樹根系活性及根系分泌物中碳、氮的分泌。進一步分析表明，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關系。欒樹根系分泌物中TC，TN含量之間整體呈負相關關系，隨TC含量升高，TN含量相應降低，也就是說，欒樹根系分泌物中的TC含量升高，則其TN含量就會降低。另外，就同一含量而言，TN的變幅并不大(圖2)。對于樟樹而言，其根系分泌物中TC與TN含量之間具有正相關關系，隨TC含量升高，TN含量也隨之升高，其間的變化規律與欒樹有著較大差異(圖3)。

圖2 不同菲濃度處理欒樹根系分泌物 中TC含量與TN含量的關系

圖3 樟樹根系分泌物中TC含量與TN含量的關系

另外，從根系分泌物中TC含量與其活躍吸收面積的關系來看，欒樹與樟樹是有一定差別的。欒樹根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積之間無明顯的相關關系，三種處理水平中，在欒樹根系分泌物中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，這說明低濃度的菲對欒樹根系活性有一定的促進作用，高濃度的菲會抑制欒樹的根系活性(圖4)。對于樟樹而言，其根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積呈負相關關系，樟樹根系分泌物中TC含量隨其根系活躍面積的增大而降低(圖5)。

圖4 欒樹根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積的關系

圖5 樟樹根系分泌物中TC含量與其根系活躍吸收面積的關系

3 結 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，同時能反映植物根系向土壤輸入碳氮的能力。土壤環境的變化會對植物根系分泌物成分及含量產生影響[15-16],植物在受到一定有害物質毒害時，根系分泌物組成成分的濃度會發生變化，增加根系分泌物中部分組分的產生和累積，這主要是植物對有害物質毒害的應激反應，通過增加根系分泌物調節根際微域環境，使得根際微域環境利于有害物質的分解[17-18]。

(1) 隨著菲濃度的升高，欒樹與樟樹根系分泌物中TOC，TC和TN含量總體均呈下降趨勢，表明菲的添加對植物根系分泌量存在抑制作用。這也說明根系組織和細胞在多環芳烴脅迫下，會對T，N產生一種保護和調節機制。當然了，這也可能是根系生理功能遭到破壞產生的結果，對其發生機理需要進一步研究。

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

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