鋅對長藥景天生長及根際土壤酶活性的影響1)

王瑩 汪成忠 錢劍林

(蘇州農業職業技術學院，蘇州，215000)

鋅(Zn)是動植物生長發育所必須的微量元素，對于維持動植物正常生理機能具有重要作用，但隨著工農業的快速發展、鋅礦廠區的開發等，導致鋅大量排放和擴散，造成土壤鋅污染。栽種在重金屬鋅污染土壤的植物(蔬菜、水果、糧食等)利用食物鏈進入人類體內，重金屬鋅在體內不斷累積，導致人類免疫力下降、神經紊亂等各種疾病、罹患癌癥甚至死亡，對人類健康帶來極大威脅[1-4]，因此，重金屬鋅污染土壤問題亟待解決。

長藥景天(Hylotelephiumspectabile)雖然不是重金屬鋅超富集植物，但對鋅具有很強抗性及富集能力，可以作為鋅污染土壤修復的良好植物材料[5]。植物根系直接與重金屬溶液接觸，其最先受到毒害，因此通過對植物根系生長的觀察，可直接反映出重金屬對植物的毒害程度[6]。土壤酶能敏感反映土壤環境微小變化，能夠直接或間接反映土壤質量及被污染程度，是評價重金屬污染生態效應的重要生物學指標[7-9]。植物根系分泌物利于土壤酶活性的提高，土壤酶又促進植物生長，植物的生長又促使分泌物的分泌，三者之間存在著十分密切的關系[10-11]。本論文以長藥景天作為植物材料，研究不同濃度的外源鋅脅迫處理對長藥景天生長以及土壤酶活性的影響，以期評價重金屬鋅污染土壤的生態風險，為重金屬鋅污染土壤修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 長藥景天、根際土壤的處理

供試土壤：松針土購自黑龍江省鑫鑫公司，自然風干后，先初步剔除其中粗雜質，過100目篩后備用。為了在取樣時減少對植物根部的傷害，將V(沙)∶V(土壤)=1∶3混合作為培養基質，將其風干消毒，將消毒后的培養基質以1.5 kg為單位裝入直徑20 cm、盆高25 cm的花盆中。

長藥景天：采自當年播種生長在牡丹江鏡泊湖的長藥景天(Hylotelephiumspectabile)，移栽到哈爾濱師范大學生命科學與技術學院試驗田內適應性培養10 d，然后選擇健康的長勢一致的植株移栽到溫室內進行盆栽試驗，每盆種植5株植物，7 d適應性培養，然后進行重金屬鋅不同質量分數梯度脅迫。

盆栽試驗設計：用ZnSO4·7H2O對植株進行脅迫處理，同時設置空白對照(0)。根據GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》以及前期預試驗長藥景天的生長狀況，設定了重金屬鋅質量分數梯度，鋅以水溶液形式施于土壤中，使鋅質量分數分別達到40、80、160、320、800和1 600 mg/kg時均勻倒入土壤中，每個處理設3個重復，每隔7 d用不含重金屬的去離子水噴灑植株1次，噴灑時水不能從盆底流出，以減少實驗誤差，脅迫處理35 d后取樣。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤酶活性的測定

土壤樣品處理與分析測定參照文獻標準方法進行[12-13]。

(1)酸性磷酸酶活性。采用磷酸苯二鈉比色法測定。稱5 g土樣置于50 mL三角瓶中，加1 mL甲苯，15 min后，加入5 mL磷酸苯二鈉和5 mL醋酸鹽緩沖液，搖勻后放入恒溫箱，37 ℃下培養24 h。吸取1 mL濾液于50 mL容量瓶中，加入5 mL pH=9.0醋酸鹽緩沖液，再加入3 mL體積分數為2.5%鐵氰化鉀和3 mL體積分數為0.5% 4-氨基安替吡呤，顯色后稀釋至刻度，30 min后，在分光光度計上570 nm處比色。同時做無土對照和無基質對照。酸性磷酸酶活性以24 h后1 g土壤中酚的毫克數表示。

(2)脫氫酶活性。采用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法測定。稱取5 g土壤樣品放入三角瓶中，加入TTC溶液后置于37 ℃恒溫培養箱，24 h后取出，加入5 mL甲醇震蕩、靜置后過濾，濾液定容到25 mL，于波長485 nm下測定吸光度值A，以每克土樣生成的TPF為脫氧酶的一個活性單位。

(3)土壤轉化酶活性。采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。稱取2 g土壤，置于50 mL三角瓶中，注入15 mL蔗糖溶液，5 mL pH5.5磷酸緩沖液和1 mL甲苯。搖勻后，放入37 ℃恒溫箱中培養24 h。到時取出，迅速過濾。從中吸取濾液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加3 mL 3,5-二硝基水楊酸溶液，并在沸騰的水浴鍋中加熱5 min，隨即將容量瓶移至自來水流下冷卻3 min。冷卻后用蒸餾水稀釋至50 mL，并在分光光度計上于508 nm處進行比色。同時做無土對照和無基質對照。土壤轉化酶用37 ℃、24 h內各自水解產生的葡萄糖和減少的尿素毫克數表示。

(4)硝酸還原酶活性。采用酚二磺酸比色法。取1 g干土于100 mL塑料瓶中，加20 mg CaCO3和1 mL KNO3溶液，混勻后加1 mL葡萄糖溶液，另一種加入等量的蒸餾水代替底物。蓋緊瓶塞(保證厭氧環境)，輕搖塑料瓶，置于37 ℃恒溫培養箱中培養24 h，同時試劑做空白對照。培養結束后加入50 mL去離子水和1 mL鋁鉀礬溶液，靜置20 min。混勻后過濾。取20 mL濾液于磁蒸發皿，在水浴中蒸干，加入2 mL酚二磺酸溶液溶解處理10 min，再加入15 mL去離子水，用體積分數10% NaOH調至為黃色后移至50 mL容器瓶中，定容后于410 nm進行比色。同時做無土對照和無基質對照。硝酸還原酶活性通過反應前后硝態氮的變化來測定。

1.2.2 生物量、株高的測定

長藥景天株高、根長用量尺測得，植株干質量、根部干質量則用電子天平測定[14]，干質量在105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量，取平均值，并做3次重復。

1.3 數據處理

利用SPSS17.0軟件進行統計分析，利用ANOVA進行方差分析，利用LSD法進行多重比較，相關性分析采用Pearson相關系數法；利用Microsoft Excel 2000軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 鋅脅迫對長藥景天生長的影響

如表1所示，長藥景天總干質量隨著鋅質量分數的升高呈現先上升后降低的趨勢，鋅質量分數為40、80 mg/kg時，長藥景天總干質量相對于對照的總干質量相比是上升的，呈顯著性差異，當鋅質量分數為160 mg/kg時，總干質量開始下降，相對于鋅質量分數80 mg/kg降幅不明顯，當鋅質量分數在320 mg/kg時，相對于鋅質量分數80 mg/kg，長藥景天總干質量降幅明顯，呈顯著性差異，鋅質量分數在800、1 600 mg/kg時，相對于鋅質量分數320 mg/kg降幅不明顯呈現低質量分數鋅促進植物生長，高質量分數鋅抑制植物生長；根干質量隨著鋅質量分數升高呈先上升后下降再上升趨勢，總體而言，長藥景天根干質量在1 600 mg/kg時高于對照，增幅不明顯。長藥景天總干質量、根干質量與鋅質量分數均呈負相關，其中鋅質量分數與總干質量程顯著負相關，相關性系數為0.437。

長藥景天除鋅質量分數80 mg/kg以外，株高均隨著鋅質量分數增加呈下降趨勢，鋅質量分數1600 mg/kg時的株高低于對照，呈顯著性差異；根長隨著鋅質量分數呈現先下降后上升再下降的趨勢，最終根長在鋅質量分數1600 mg/kg時低于對照，但降幅不明顯。長藥景天株高、根長與鋅質量分數均呈負相關，其中鋅質量分數與株高呈顯著負相關，相關性系數為0.653。

表1 不同質量分數鋅脅迫時長藥景天各性狀生長狀況

2.2 鋅脅迫對根際土壤酶活性的影響

如表2所示，土壤脫氫酶、轉化酶、硝酸還原酶、酸性磷酸酶4種酶活性均隨著鋅質量分數的升高呈現先上升后下降的趨勢，4種酶活性在鋅質量分數為1 600 mg/kg時均高于對照，具有顯著性差異，每種酶活性的最大值出現在不同的鋅質量分數下，土壤脫氫酶酶活最大值出現在鋅質量分數800 mg/kg，同時各質量分數的酶活性較上一質量分數酶活性都存著顯著性差異；土壤轉化酶酶活最大值出現在鋅質量分數800 mg/kg，各質量分數下的酶活性較上一質量分數酶活性都存著顯著性差異，除320和1 600 mg/kg外；土壤硝酸還原酶酶活最大值出現在鋅質量分數160 mg/kg，各質量分數的酶活性較上一質量分數酶活性都存著顯著性差異；土壤酸性磷酸酶酶活最大值出現在鋅質量分數800 mg/kg，當鋅質量分數在40 mg/kg時，酶活性上升較鋅質量分數0時，呈顯著性差異，當鋅質量分數在80、160 mg/kg時，酶活性上升，但相對于其上一質量分數的酶活性差異不顯著，當鋅質量分數在320 mg/kg時，酶活性上升相對于鋅質量分數為160 mg/kg呈顯著性差異，當鋅質量分數為1 600 mg/kg時，酶活下降，相對于鋅質量分數為800 mg/kg時呈顯著性差異。

2.3 酶活性與鋅質量分數相關性

對土壤脫氫酶、轉化酶、酸性磷酸酶、硝酸還原酶與鋅添加濃度進行雙變量相關性分析，結果表明，除硝酸還原酶(相關系數是0.368)之外，其他3種酶均與鋅質量分數呈顯著正相關，相關系數分別為0.964、0.893、0.786，其中土壤脫氫酶對鋅質量分數最敏感。

表2 不同質量分數鋅脅迫時長藥景天根際土壤酶活性

3 結論與討論

植物的生長狀況是植物耐受重金屬脅迫的直觀表現，從研究結果來看，除根干質量外，長藥景天的株高、根長、總干質量隨著重金屬鋅質量分數增大，呈現先升高后降低的現象，并低于對照，說明長藥景天的生長受到了重金屬鋅的脅迫，與陳偉[15]的研究結果相一致，株高、根長、總干質量、根干質量與重金屬鋅質量分數呈負相關，其中株高、總干質量呈顯著性負相關，相關性系數分別為0.653、0.437，株高對重金屬鋅更敏感。

重金屬鋅對植物生長的影響主要集中在根系、莖和葉，對根系而言，主要集中在根尖分裂能力下降和根系生長發育受阻；對于莖葉的影響則體現在靠降低光合作用效率和呼吸效率來實現[16]，從研究結果來看，根長雖然隨著重金屬鋅脅迫呈現先升高后降低的趨勢，但重金屬鋅質量分數在1 600 mg/kg時低于對照，但降幅不顯著；根干質量在重金屬鋅質量分數1 600 mg/kg高于對照，增幅不顯著，說明長藥景天的根系受到重金屬鋅脅迫的影響不大，仍能正常生長，重金屬鋅對長藥景天的抑制作用主要體現在莖和葉上，與羅夢婷[17]的研究結果相似。

作為土壤的重要組成部分，土壤酶以其高度的特異性、專一性和靈敏性催化幾乎所有土壤生化反應，土壤酶活性被認為是判斷土壤質量的重要指標。本研究結果表明，4種酶在重金屬鋅脅迫下呈現上升后下降的趨勢，說明土壤酶活性受到了脅迫，但4種土壤酶濃度在鋅質量分數1 600 mg/kg時的活性均高于對照，分析其主要原因有如下幾點：(1)重金屬鋅脅迫雖然對長藥景天生長以及根際土壤酶活性產生影響，但重金屬鋅也是利于植物生長、土壤有機質轉化的重要元素，所以低濃度的重金屬鋅對長藥景天生長以及土壤酶活性的提高起到促進作用；(2)隨著重金屬鋅質量分數的提高，重金屬鋅對長藥景天生長以及土壤酶活性有抑制作用，之前有研究表明長藥景天對重金屬鋅有很強的吸附能力，大大降低了重金屬鋅對土壤酶的脅迫作用；同時重金屬鋅對長藥景天根系影響不大，根系活動較為活躍，致使根系不斷向土壤中分泌各種有機物、無機物、生長激素等活性物質，對于土壤酶活性的提高起著十分重要的促進作用，這與王瑩[5]、李影和陳明林[18]、楊文浩[19]等研究結果相一致。

從根干質量、根長與重金屬鋅脅迫相關性研究結果中，長藥景天根干質量、根長與重金屬鋅脅迫呈負相關，說明長藥景天根系生長受到了脅迫，因而根系分泌物也受到影響，4種土壤酶活性隨即受到影響，所以長藥景天根際4種酶呈現先上升后下降的趨勢。

土壤酶是評價重金屬污染修復的重要指標，長藥景天根際4種土壤酶活性均高于對照土壤酶活性，說明栽種長藥景天改善了重金屬鋅脅迫土壤的狀況，具有修復和改良作用。從本論文研究角度來看，植物根系分泌物促進了土壤酶活性，使得長藥景天根際4種酶活性與重金屬鋅脅迫呈顯著正相關，除硝酸還原酶外。由于長藥景天根際分泌物中利于硝態氮還原成氨、土壤氮素轉化的種類少[20-21]，所以硝酸還原酶與重金屬鋅脅迫未成顯著正相關關系。土壤酶活性的積累是植物根系多種分泌物共同作用的結果，究竟是哪種分泌物決定土壤酶活性需要進一步研究。

長藥景天在高質量分數鋅脅迫下，生長受到抑制，其抑制部位主要集中于長藥景天的葉和莖上，株高對于鋅脅迫更敏感。土壤酶是衡量重金屬污染修復的重要指標，栽種長藥景天后，其根際土壤酶活性增加，說明長藥景天對重金屬鋅污染土壤具有修復作用，是重金屬鋅污染土壤改良修復的植物材料。