锌对长药景天生长及根际土壤酶活性的影响1)

王莹 汪成忠 钱剑林

(苏州农业职业技术学院，苏州，215000)

锌(Zn)是动植物生长发育所必须的微量元素，对于维持动植物正常生理机能具有重要作用，但随着工农业的快速发展、锌矿厂区的开发等，导致锌大量排放和扩散，造成土壤锌污染。栽种在重金属锌污染土壤的植物(蔬菜、水果、粮食等)利用食物链进入人类体内，重金属锌在体内不断累积，导致人类免疫力下降、神经紊乱等各种疾病、罹患癌症甚至死亡，对人类健康带来极大威胁[1-4]，因此，重金属锌污染土壤问题亟待解决。

长药景天(Hylotelephiumspectabile)虽然不是重金属锌超富集植物，但对锌具有很强抗性及富集能力，可以作为锌污染土壤修复的良好植物材料[5]。植物根系直接与重金属溶液接触，其最先受到毒害，因此通过对植物根系生长的观察，可直接反映出重金属对植物的毒害程度[6]。土壤酶能敏感反映土壤环境微小变化，能够直接或间接反映土壤质量及被污染程度，是评价重金属污染生态效应的重要生物学指标[7-9]。植物根系分泌物利于土壤酶活性的提高，土壤酶又促进植物生长，植物的生长又促使分泌物的分泌，三者之间存在着十分密切的关系[10-11]。本论文以长药景天作为植物材料，研究不同浓度的外源锌胁迫处理对长药景天生长以及土壤酶活性的影响，以期评价重金属锌污染土壤的生态风险，为重金属锌污染土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 长药景天、根际土壤的处理

供试土壤：松针土购自黑龙江省鑫鑫公司，自然风干后，先初步剔除其中粗杂质，过100目筛后备用。为了在取样时减少对植物根部的伤害，将V(沙)∶V(土壤)=1∶3混合作为培养基质，将其风干消毒，将消毒后的培养基质以1.5 kg为单位装入直径20 cm、盆高25 cm的花盆中。

长药景天：采自当年播种生长在牡丹江镜泊湖的长药景天(Hylotelephiumspectabile)，移栽到哈尔滨师范大学生命科学与技术学院试验田内适应性培养10 d，然后选择健康的长势一致的植株移栽到温室内进行盆栽试验，每盆种植5株植物，7 d适应性培养，然后进行重金属锌不同质量分数梯度胁迫。

盆栽试验设计：用ZnSO4·7H2O对植株进行胁迫处理，同时设置空白对照(0)。根据GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》以及前期预试验长药景天的生长状况，设定了重金属锌质量分数梯度，锌以水溶液形式施于土壤中，使锌质量分数分别达到40、80、160、320、800和1 600 mg/kg时均匀倒入土壤中，每个处理设3个重复，每隔7 d用不含重金属的去离子水喷洒植株1次，喷洒时水不能从盆底流出，以减少实验误差，胁迫处理35 d后取样。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤酶活性的测定

土壤样品处理与分析测定参照文献标准方法进行[12-13]。

(1)酸性磷酸酶活性。采用磷酸苯二钠比色法测定。称5 g土样置于50 mL三角瓶中，加1 mL甲苯，15 min后，加入5 mL磷酸苯二钠和5 mL醋酸盐缓冲液，摇匀后放入恒温箱，37 ℃下培养24 h。吸取1 mL滤液于50 mL容量瓶中，加入5 mL pH=9.0醋酸盐缓冲液，再加入3 mL体积分数为2.5%铁氰化钾和3 mL体积分数为0.5% 4-氨基安替吡呤，显色后稀释至刻度，30 min后，在分光光度计上570 nm处比色。同时做无土对照和无基质对照。酸性磷酸酶活性以24 h后1 g土壤中酚的毫克数表示。

(2)脱氢酶活性。采用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定。称取5 g土壤样品放入三角瓶中，加入TTC溶液后置于37 ℃恒温培养箱，24 h后取出，加入5 mL甲醇震荡、静置后过滤，滤液定容到25 mL，于波长485 nm下测定吸光度值A，以每克土样生成的TPF为脱氧酶的一个活性单位。

(3)土壤转化酶活性。采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。称取2 g土壤，置于50 mL三角瓶中，注入15 mL蔗糖溶液，5 mL pH5.5磷酸缓冲液和1 mL甲苯。摇匀后，放入37 ℃恒温箱中培养24 h。到时取出，迅速过滤。从中吸取滤液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加3 mL 3,5-二硝基水杨酸溶液，并在沸腾的水浴锅中加热5 min，随即将容量瓶移至自来水流下冷却3 min。冷却后用蒸馏水稀释至50 mL，并在分光光度计上于508 nm处进行比色。同时做无土对照和无基质对照。土壤转化酶用37 ℃、24 h内各自水解产生的葡萄糖和减少的尿素毫克数表示。

(4)硝酸还原酶活性。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，混匀后加1 mL葡萄糖溶液，另一种加入等量的蒸馏水代替底物。盖紧瓶塞(保证厌氧环境)，轻摇塑料瓶，置于37 ℃恒温培养箱中培养24 h，同时试剂做空白对照。培养结束后加入50 mL去离子水和1 mL铝钾矾溶液，静置20 min。混匀后过滤。取20 mL滤液于磁蒸发皿，在水浴中蒸干，加入2 mL酚二磺酸溶液溶解处理10 min，再加入15 mL去离子水，用体积分数10% NaOH调至为黄色后移至50 mL容器瓶中，定容后于410 nm进行比色。同时做无土对照和无基质对照。硝酸还原酶活性通过反应前后硝态氮的变化来测定。

1.2.2 生物量、株高的测定

长药景天株高、根长用量尺测得，植株干质量、根部干质量则用电子天平测定[14]，干质量在105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，取平均值，并做3次重复。

1.3 数据处理

利用SPSS17.0软件进行统计分析，利用ANOVA进行方差分析，利用LSD法进行多重比较，相关性分析采用Pearson相关系数法；利用Microsoft Excel 2000软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 锌胁迫对长药景天生长的影响

如表1所示，长药景天总干质量随着锌质量分数的升高呈现先上升后降低的趋势，锌质量分数为40、80 mg/kg时，长药景天总干质量相对于对照的总干质量相比是上升的，呈显著性差异，当锌质量分数为160 mg/kg时，总干质量开始下降，相对于锌质量分数80 mg/kg降幅不明显，当锌质量分数在320 mg/kg时，相对于锌质量分数80 mg/kg，长药景天总干质量降幅明显，呈显著性差异，锌质量分数在800、1 600 mg/kg时，相对于锌质量分数320 mg/kg降幅不明显呈现低质量分数锌促进植物生长，高质量分数锌抑制植物生长；根干质量随着锌质量分数升高呈先上升后下降再上升趋势，总体而言，长药景天根干质量在1 600 mg/kg时高于对照，增幅不明显。长药景天总干质量、根干质量与锌质量分数均呈负相关，其中锌质量分数与总干质量程显著负相关，相关性系数为0.437。

长药景天除锌质量分数80 mg/kg以外，株高均随着锌质量分数增加呈下降趋势，锌质量分数1600 mg/kg时的株高低于对照，呈显著性差异；根长随着锌质量分数呈现先下降后上升再下降的趋势，最终根长在锌质量分数1600 mg/kg时低于对照，但降幅不明显。长药景天株高、根长与锌质量分数均呈负相关，其中锌质量分数与株高呈显著负相关，相关性系数为0.653。

表1 不同质量分数锌胁迫时长药景天各性状生长状况

2.2 锌胁迫对根际土壤酶活性的影响

如表2所示，土壤脱氢酶、转化酶、硝酸还原酶、酸性磷酸酶4种酶活性均随着锌质量分数的升高呈现先上升后下降的趋势，4种酶活性在锌质量分数为1 600 mg/kg时均高于对照，具有显著性差异，每种酶活性的最大值出现在不同的锌质量分数下，土壤脱氢酶酶活最大值出现在锌质量分数800 mg/kg，同时各质量分数的酶活性较上一质量分数酶活性都存着显著性差异；土壤转化酶酶活最大值出现在锌质量分数800 mg/kg，各质量分数下的酶活性较上一质量分数酶活性都存着显著性差异，除320和1 600 mg/kg外；土壤硝酸还原酶酶活最大值出现在锌质量分数160 mg/kg，各质量分数的酶活性较上一质量分数酶活性都存着显著性差异；土壤酸性磷酸酶酶活最大值出现在锌质量分数800 mg/kg，当锌质量分数在40 mg/kg时，酶活性上升较锌质量分数0时，呈显著性差异，当锌质量分数在80、160 mg/kg时，酶活性上升，但相对于其上一质量分数的酶活性差异不显著，当锌质量分数在320 mg/kg时，酶活性上升相对于锌质量分数为160 mg/kg呈显著性差异，当锌质量分数为1 600 mg/kg时，酶活下降，相对于锌质量分数为800 mg/kg时呈显著性差异。

2.3 酶活性与锌质量分数相关性

对土壤脱氢酶、转化酶、酸性磷酸酶、硝酸还原酶与锌添加浓度进行双变量相关性分析，结果表明，除硝酸还原酶(相关系数是0.368)之外，其他3种酶均与锌质量分数呈显著正相关，相关系数分别为0.964、0.893、0.786，其中土壤脱氢酶对锌质量分数最敏感。

表2 不同质量分数锌胁迫时长药景天根际土壤酶活性

3 结论与讨论

植物的生长状况是植物耐受重金属胁迫的直观表现，从研究结果来看，除根干质量外，长药景天的株高、根长、总干质量随着重金属锌质量分数增大，呈现先升高后降低的现象，并低于对照，说明长药景天的生长受到了重金属锌的胁迫，与陈伟[15]的研究结果相一致，株高、根长、总干质量、根干质量与重金属锌质量分数呈负相关，其中株高、总干质量呈显著性负相关，相关性系数分别为0.653、0.437，株高对重金属锌更敏感。

重金属锌对植物生长的影响主要集中在根系、茎和叶，对根系而言，主要集中在根尖分裂能力下降和根系生长发育受阻；对于茎叶的影响则体现在靠降低光合作用效率和呼吸效率来实现[16]，从研究结果来看，根长虽然随着重金属锌胁迫呈现先升高后降低的趋势，但重金属锌质量分数在1 600 mg/kg时低于对照，但降幅不显著；根干质量在重金属锌质量分数1 600 mg/kg高于对照，增幅不显著，说明长药景天的根系受到重金属锌胁迫的影响不大，仍能正常生长，重金属锌对长药景天的抑制作用主要体现在茎和叶上，与罗梦婷[17]的研究结果相似。

作为土壤的重要组成部分，土壤酶以其高度的特异性、专一性和灵敏性催化几乎所有土壤生化反应，土壤酶活性被认为是判断土壤质量的重要指标。本研究结果表明，4种酶在重金属锌胁迫下呈现上升后下降的趋势，说明土壤酶活性受到了胁迫，但4种土壤酶浓度在锌质量分数1 600 mg/kg时的活性均高于对照，分析其主要原因有如下几点：(1)重金属锌胁迫虽然对长药景天生长以及根际土壤酶活性产生影响，但重金属锌也是利于植物生长、土壤有机质转化的重要元素，所以低浓度的重金属锌对长药景天生长以及土壤酶活性的提高起到促进作用；(2)随着重金属锌质量分数的提高，重金属锌对长药景天生长以及土壤酶活性有抑制作用，之前有研究表明长药景天对重金属锌有很强的吸附能力，大大降低了重金属锌对土壤酶的胁迫作用；同时重金属锌对长药景天根系影响不大，根系活动较为活跃，致使根系不断向土壤中分泌各种有机物、无机物、生长激素等活性物质，对于土壤酶活性的提高起着十分重要的促进作用，这与王莹[5]、李影和陈明林[18]、杨文浩[19]等研究结果相一致。

从根干质量、根长与重金属锌胁迫相关性研究结果中，长药景天根干质量、根长与重金属锌胁迫呈负相关，说明长药景天根系生长受到了胁迫，因而根系分泌物也受到影响，4种土壤酶活性随即受到影响，所以长药景天根际4种酶呈现先上升后下降的趋势。

土壤酶是评价重金属污染修复的重要指标，长药景天根际4种土壤酶活性均高于对照土壤酶活性，说明栽种长药景天改善了重金属锌胁迫土壤的状况，具有修复和改良作用。从本论文研究角度来看，植物根系分泌物促进了土壤酶活性，使得长药景天根际4种酶活性与重金属锌胁迫呈显著正相关，除硝酸还原酶外。由于长药景天根际分泌物中利于硝态氮还原成氨、土壤氮素转化的种类少[20-21]，所以硝酸还原酶与重金属锌胁迫未成显著正相关关系。土壤酶活性的积累是植物根系多种分泌物共同作用的结果，究竟是哪种分泌物决定土壤酶活性需要进一步研究。

长药景天在高质量分数锌胁迫下，生长受到抑制，其抑制部位主要集中于长药景天的叶和茎上，株高对于锌胁迫更敏感。土壤酶是衡量重金属污染修复的重要指标，栽种长药景天后，其根际土壤酶活性增加，说明长药景天对重金属锌污染土壤具有修复作用，是重金属锌污染土壤改良修复的植物材料。