尚藝婕，張　秀，王海波，史　靜（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

秸稈生物質(zhì)炭對(duì)鎘污染水稻土根際酶活性的影響

尚藝婕，張秀，王海波，史靜*
（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

為了探究不同Cd污染程度下生物質(zhì)炭輸入對(duì)水稻根際土氧化還原類酶、碳循環(huán)酶的活性變化的影響，選取水稻作為研究對(duì)象，測(cè)定不同生物質(zhì)炭量及Cd施入下水稻根際及非根際土壤酶活性的變化狀況。研究表明，不同處理下，水稻根際土壤碳循環(huán)酶的綜合活性指數(shù)值介于1.388～12.029之間，而非根際土壤碳循環(huán)酶的活性指數(shù)值介于0.542～1.713之間。水稻根際土壤氧化還原類酶的綜合活性指數(shù)值介于0.387～1.627之間，而非根際土壤氧化還原酶指數(shù)值介于0.167～1.201之間。可見(jiàn)水稻根際碳循環(huán)類酶及氧化還原類酶的活性均高于非根際土壤。當(dāng)生物質(zhì)炭施入量為10%，Cd的含量為2.5 mg·kg-1時(shí)，水稻根際土壤的碳循環(huán)類酶活性指數(shù)為12.029，氧化還原類酶活性指數(shù)為1.192，均達(dá)到最大。由此可得，該濃度的生物質(zhì)炭施入對(duì)兩大類酶活性值的提升均有顯著作用。

生物質(zhì)炭；水稻；根際土；土壤碳循環(huán)酶；土壤氧化還原酶

尚藝婕，張秀，王海波，等.秸稈生物質(zhì)炭對(duì)鎘污染水稻土根際酶活性的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（8）：1532-1540.

SHANG Yi-jie，ZHANG Xiu，WANG Hai-bo，et al.Effects of straw biochar on rhizospheric enzyme activities in Cd contaminated paddy soil［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（8）：1532-1540.

土壤酶是指在土壤中能催化生物學(xué)反應(yīng)的一類蛋白質(zhì)，其活性表征了土壤生物活性的強(qiáng)弱，是土壤新陳代謝的重要因素。土壤酶活性對(duì)土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)及土壤肥力指標(biāo)均具有很好的評(píng)價(jià)作用。目前我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，有關(guān)部門(mén)調(diào)查顯示，約有20%的土壤存在著不同程度的鎘污染。大量實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明，土壤中Cd元素的加入對(duì)不同類別的土壤酶活性存在著顯著的影響，其中以脲酶、磷酸酶等氧化還原酶類的反應(yīng)最為敏感，蔗糖酶次之，且其影響以抑制作用為主。生物質(zhì)炭的施用可以顯著改善土壤重金屬污染的形態(tài)和遷移行為［1］，生物質(zhì)炭能夠降低土壤中Pb、Cd的酸可提取態(tài)含量，因而可以降低重金屬的生物有效性，對(duì)重金屬表現(xiàn)出很好的固定效果［2-4］。由于土壤酶活性受重金屬元素的影響較為顯著，其強(qiáng)弱與重金屬污染程度存在著某種相關(guān)性，土壤酶活性對(duì)重金屬污染程度具有良好的恢復(fù)及指示效應(yīng)。課題組前期研究結(jié)果表明［5］，在土壤中生物質(zhì)炭含量較低（0～5%）時(shí)，2.5%含量的生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤碳循環(huán)類酶活性及氧化還原類酶活性均具有最強(qiáng)的修復(fù)效應(yīng)，其中碳循環(huán)類酶活性比不加生物質(zhì)炭高出7.4%，氧化還原類酶活性比不加生物質(zhì)炭時(shí)高出18.50%。除此之外，重金屬污染對(duì)根際土壤也具有很強(qiáng)的影響力。根系分泌物是土壤酶的重要來(lái)源，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，根系作為物質(zhì)和土壤的重要界面，不僅是吸收和代謝器官，而且是強(qiáng)大的分泌器官，植物根系分泌物、殘?bào)w（含根系脫落物和凋落物）在土壤分解過(guò)程中可刺激微生物活動(dòng)，從而使根際土壤酶活性得到增強(qiáng)［1］。前人的研究成果已經(jīng)證明了這種趨勢(shì)［5-6］，如玉米、杉木，其根際土壤酶活性值是非根際土壤的2～5倍；水稻根際土壤過(guò)氧化氫酶活性比非根際土壤高出了35%，蔗糖酶活性值高出23%。這便是作物中普遍存在的根系效應(yīng)。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染下土壤酶活性值變化研究較多，然而有關(guān)水稻根際土及非根際土酶活性值差異方面的研究仍然較少涉及，有關(guān)不同量的生物質(zhì)炭對(duì)不同程度的重金屬污染下的作物根系不同類別酶活性的影響方面尚不明確。本文在總結(jié)汲取前人及本課題研究成果的基礎(chǔ)上，選取水稻這一最為廣泛種植和食用但同時(shí)卻最易受重金屬富集危害的農(nóng)作物作為研究對(duì)象，通過(guò)改變不同量的生物質(zhì)炭及重金屬元素Cd的施入，探究更高濃度的生物質(zhì)炭添加下的水稻根際土及非根際土中對(duì)土壤重金屬響應(yīng)較為靈敏的氧化還原類土壤酶及對(duì)生物質(zhì)炭響應(yīng)較為靈敏的碳循環(huán)類土壤酶活性的變化，探究水稻根際土及非根際土碳循環(huán)類酶及氧化還原類酶活性在不同量的生物質(zhì)炭及重金屬Cd施用下的變化機(jī)理，旨在為生物質(zhì)炭對(duì)重金屬Cd污染水稻根際土及非根際土酶活性的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山紅壤8 kg作為試驗(yàn)供試土壤，將CdCl2·2.5H2O與去離子水配成母液，稀釋成處理濃度（10、2.5、5 mg·kg-1）后與土壤反復(fù)混合均勻，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照。選取秸稈生物炭按添加量（0、2.5%、5%、10%的質(zhì)量比）進(jìn)行原狀土添加，即得到13種不同處理的土樣，分別記作Cd0B0、Cd1B0、Cd1B2.5、Cd1B5、Cd1B10、Cd2.5B0、Cd2.5B2.5、Cd2.5B5、Cd2.5B10、Cd5B0、Cd5B2.5、Cd5B5、Cd5B10。

經(jīng)處理的土壤樣品分裝后置于玻璃溫室中，在自然狀態(tài)下進(jìn)行老化處理60 d，保持土壤水分在田間水量的70%［7］。選取優(yōu)良品種的水稻種子分別種植于上述處理的土樣中（每類土樣均需設(shè)平行對(duì)照），用塑膠夾板夾住少量土壤，使根系在夾板中生長(zhǎng)，保持5～6 cm的水層，水稻抽穗前2 d適當(dāng)排水通氣，齊穗到蠟熟期可間歇灌溉，待黃熟后可開(kāi)始排水。水稻成熟收獲后，取夾板中近根土做根際土，夾板外的土即為非根際土。對(duì)所得到的水稻根際土及非根際土的FDA水解酶、纖維素酶、蛋白酶、脲酶、蔗糖酶及過(guò)氧化氫酶的活性進(jìn)行測(cè)定。表1為試驗(yàn)用生物炭的基本性狀。

表1　生物炭的基本性狀Table 1 Basic characteristics of biochar

1.2測(cè)定方法

對(duì)FDA水解酶（又名熒光素二乙酸酯酶）以無(wú)色的熒光素二乙酸為基質(zhì)，采用比色法來(lái)測(cè)定其活性；采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定纖維素酶解所產(chǎn)生的還原糖量來(lái)表示纖維素酶活性；蛋白酶酶活的測(cè)定采用茚三酮比色法，以24 h后1 g土壤中的氨基氮的毫克數(shù)表示；脲酶的酶活采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以尿素為基質(zhì)，測(cè)定其活性；蔗糖酶酶活采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定，以24 h后1 g土壤中的葡萄糖毫克數(shù)來(lái)表示；磷酸酶酶活的測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法來(lái)測(cè)定，以磷酸苯二鈉為基質(zhì)，在磷酸酶的作用下，以水解基質(zhì)所生成的苯酚的量來(lái)表示；過(guò)氧化氫酶酶活采用紫外分光光度法測(cè)定，以每20 min內(nèi)每克土壤分解的過(guò)氧化氫的毫克數(shù)來(lái)表示［8］。

為消除土壤中原有物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，以上每種土樣的酶活測(cè)定均需要設(shè)置無(wú)基質(zhì)對(duì)照，整個(gè)實(shí)驗(yàn)需做無(wú)土對(duì)照。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)可靠，每種土樣的酶活測(cè)定也需做平行對(duì)照。

1.3酶活性綜合值的計(jì)算

根據(jù)前人研究結(jié)果及各種酶的具體作用及性質(zhì)，將所選取的土壤酶分為兩大類：第一類為對(duì)土壤碳循環(huán)變化響應(yīng)較為明顯的酶類，這類酶有FDA水解酶、纖維素酶、蛋白酶；第二類為對(duì)Cd活性變化響應(yīng)較為敏感的酶類，這類酶也被稱之為土壤氧化還原酶，其中包括脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及過(guò)氧化氫酶［8-11］。對(duì)這兩大類型的酶活性分別求取幾何平均數(shù)，作為衡量土壤中碳循環(huán)相關(guān)酶及氧化還原酶活性的指標(biāo)，其中土壤碳循環(huán)酶的公式為：土壤氧化還原酶活性公式為：

最后，對(duì)不同處理下土樣的各種酶活性求幾何平均數(shù)，作為衡量土壤質(zhì)量的綜合酶活性指標(biāo)，公式為：

式中：FDA代表FDA水解酶活性；Cel代表纖維素酶活性；Pro代表蛋白酶活性；Ure代表脲酶活性；Inv代表蔗糖酶的活性；Cat代表過(guò)氧化氫酶的活性。1.4數(shù)據(jù)處理

本文中分析數(shù)據(jù)采用Excel（2007）統(tǒng)計(jì)軟件及SPSS19.0軟件對(duì)各種處理下水稻根際及非根際土壤不同酶活性值進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)不同處理之間的差異顯著性（P＜0.05）。

2　結(jié)果與分析

2.1外加鎘處理下生物質(zhì)炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶活性的影響

碳循環(huán)酶包括FDA水解酶、纖維素酶、蛋白酶三種。從圖1可以看出，當(dāng)土壤中Cd的施入量為1 mg· kg-1時(shí)，隨著生物質(zhì)炭量的施入，水稻根際土FDA酶的活性逐漸升高，生物質(zhì)炭的用量為2.5%時(shí)其值最小為0.382 mg·g-1，當(dāng)生物質(zhì)炭用量為5%及10%時(shí)，F(xiàn)DA酶的活性值分別增加71.64%及34.07%；生物質(zhì)炭的輸入量為2.5%時(shí)，根際土壤蛋白酶的活性最高，其值為240.22 mg·g-1，比不加生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭含量5%及10%分別高出66.11%、53.10%及78.97%；生物質(zhì)炭含量為5%時(shí)，纖維素酶的活性值最高為0.907 mg·g-1，比不加生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭含量2.5%、10%時(shí)分別增加了36.49%、34.07%、40.35%。土壤中Cd的施入量為2.5 mg·g-1時(shí)，根際土FDA酶的活性隨著生物質(zhì)炭施入量的增加亦呈上升的趨勢(shì)，在生物質(zhì)炭的施入量為0、2.5%、5%及10%時(shí)，該酶的活性值較前者分別增加1.23%、100.08%及47.06%；蛋白酶的活性值變化梯度顯著，最高為生物質(zhì)炭含量10%時(shí)，其值為556.981 mg·g-1，最低為生物質(zhì)炭施入量為0時(shí)，該酶的活性值為13.002 mg·g-1，下降97.66%，可見(jiàn)生物質(zhì)炭對(duì)蛋白酶活性值的恢復(fù)具有顯著作用；生物質(zhì)炭含量10%時(shí)，纖維素酶的活性值最高為2.079 mg·g-1，當(dāng)不加生物質(zhì)炭以及生物質(zhì)炭施入量為2.5%及5%時(shí)，較最高值分別下降79.60%、64.35%及79.26%，下降梯度顯著。Cd的施入量為5 mg·g-1時(shí)，當(dāng)生物質(zhì)炭的施用量分別為0、2.5%、5%及10%時(shí)，F(xiàn)DA水解酶的活性值分別為0.508、0.777、1.190、1.428 μg·g-1，上升梯度顯著。蛋白酶的活性值介于45.323～136.388 mg·g-1之間；不加生物質(zhì)炭時(shí)，纖維素酶的活性值最高，其值為0.520 mg·g-1。由此可見(jiàn)，在不同量的Cd施入下，水稻根際土壤碳循環(huán)類酶活性值在不加生物質(zhì)炭時(shí)最小，最大值則隨著炭量施入量的變化而變化。這可能與Cd的施入對(duì)各種土壤酶的抑制及不同種類的酶對(duì)于生物質(zhì)炭的敏感程度有關(guān)，多方面因素的共同作用導(dǎo)致土壤碳循環(huán)類酶活性的差別及不同變化態(tài)勢(shì)。

當(dāng)土壤中Cd的施入量為1 mg·kg-1時(shí)，隨著生物質(zhì)炭的施入，水稻非根際土FDA酶活性值逐漸升高，非根際土壤蛋白酶的活性值最高為生物質(zhì)炭的輸入量2.5%時(shí)；纖維素酶的活性值最高為生物質(zhì)炭施入量10%時(shí)。當(dāng)土壤中Cd的施入量為2.5 mg·kg-1時(shí)，F(xiàn)DA水解酶的活性值隨著生物質(zhì)炭用量的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸減少的趨勢(shì)；當(dāng)土壤中Cd的施入量為5 mg·kg-1時(shí)，水稻非根際土FDA水解酶的活性隨著生物質(zhì)炭施入量的增加逐漸降低，且下降幅度逐級(jí)增加；當(dāng)土壤中Cd的施入量為2.5 mg·kg-1及5 mg·kg-1時(shí)，非根際土壤蛋白酶的活性值隨著生物炭施入量的升高依次遞增，最高均為生物質(zhì)炭的輸入量為10%時(shí)?？梢?jiàn)10%的生物質(zhì)炭施入量對(duì)Cd污染水稻非根際土壤蛋白酶活性值的恢復(fù)具有更顯著的效果，而纖維素酶的活性值最高均為不加生物質(zhì)炭時(shí)，其值分別為0.851、0.496 mg·g-1?？梢?jiàn)水稻非根際土壤碳循環(huán)類酶活性值變化趨勢(shì)同根際土壤酶活相類似。

2.2外加鎘處理下生物質(zhì)炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤氧化還原酶活性的影響

不同處理間水稻根際土壤氧化還原類酶的活性值變化顯著，本文研究的是脲酶、蔗糖酶及過(guò)氧化氫酶（圖2）。當(dāng)土壤中Cd的施入量為1 mg·kg-1時(shí)，生物質(zhì)炭的輸入量2.5%時(shí)，水稻根際土壤脲酶的活性值最高，比不加生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭含量5%、10%時(shí)分別高出42.99%、28.59%、30.35%；蔗糖酶的活性值隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而遞增，生物質(zhì)炭含量為2.5%時(shí)，根際土壤蔗糖酶的活性值最高，其值為4.496 mg·g-1。當(dāng)土壤中Cd的施入量為2.5 mg·kg-1時(shí)，生物質(zhì)炭施入量為2.5%時(shí)，根際土壤脲酶及蔗糖酶的活性值均最高；該處理下的脲酶活性值比生物質(zhì)炭的施入量為0、5%及10%時(shí)分別高了73.12%、58.45%、24.73%；蔗糖酶的活性值比不加生物質(zhì)炭時(shí)高出79.74%，比生物質(zhì)炭含量5%時(shí)高出80%，比生物質(zhì)炭含量10%時(shí)高出43.97%。過(guò)氧化氫酶的活性值最高為生物質(zhì)炭含量5%時(shí)的4.485 mg·g-1。Cd的施入量為5 mg·g-1時(shí)，水稻根際土壤脲酶的活性值最高亦為生物質(zhì)炭施入量為2.5%時(shí)，其值為0.621 mg·g-1；蔗糖酶的活性值最高為生物質(zhì)炭含量10%時(shí)，其值為1.26 mg·mL-1，比生物質(zhì)炭含量0、2.5%及10%時(shí)的0.096、0.123、0.113 mg·mL-1分別高出92.38%、90.24%、91.03%；生物質(zhì)炭含量5%時(shí)，過(guò)氧化氫酶的活性值最高，其值為4.485 mg·g-1，比不加生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭施入量2.5%及生物質(zhì)炭施入量10%分別高出17.46%、38.01%、46.46%?？梢?jiàn)在生物質(zhì)炭含量為2.5%時(shí)，在不同量的Cd添加下，土壤脲酶及蔗糖酶的活性值均最大，說(shuō)明該濃度的生物質(zhì)炭的輸入對(duì)該兩種酶活性的恢復(fù)具有重要意義，能夠顯著削弱重金屬Cd的抑制；而過(guò)氧化氫酶的活性值在生物質(zhì)炭含量5%時(shí)達(dá)到最大，可能是與過(guò)氧化氫酶活性受土壤重金屬污染程度的變化比較敏感［15］，需要更多量的生物質(zhì)炭施入有關(guān)。

圖1　水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶的綜合酶活性Figure 1 Composite activity of carbon cycle enzymes in rhizospheric and non rhizospheric soils of rice plant

圖2　水稻根際及非根際土壤氧化還原酶的綜合酶活性Figure 2 Composite activity of oxidoreductase enzymes in rhizospheric and non rhizospheric soils

當(dāng)土壤中Cd的施入量為1 mg·kg-1時(shí)，水稻非根際土壤脲酶的活性值隨著生物質(zhì)炭施入量的增加逐漸升高，最高為生物質(zhì)炭的輸入量10%；水稻非根際土壤過(guò)氧化氫酶的活性值在生物質(zhì)炭含量為2.5%時(shí)最高。Cd的施入量為2.5 mg·kg-1時(shí)，水稻非根際土壤脲酶及蔗糖酶的活性值均在生物質(zhì)炭的施入量2.5%時(shí)最高，其值分別為1.002、0.748 mg·mL-1。當(dāng)土壤中Cd的施入量為5 mg·kg-1時(shí)，水稻非根際土壤脲酶的活性值在不加生物質(zhì)炭時(shí)最高，比生物質(zhì)炭含量2.5%時(shí)高4.43%，比生物質(zhì)炭施入量5%高49.31%，比生物質(zhì)炭施入量10%高40.99%；而蔗糖酶的活性值為不加生物質(zhì)炭時(shí)最高。當(dāng)土壤中Cd的施入量為2.5 mg· kg-1及5 mg·kg-1，非根際土壤過(guò)氧化氫酶的活性值均在生物質(zhì)炭含量為5%時(shí)最高。本課題之前的研究也表明［2］，生物質(zhì)炭輸入可以提高土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量，改變鎘在土壤中的賦存比例，使土壤中可交換態(tài)鎘比例降低并向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低鎘的生物有效性；而且生物質(zhì)炭輸入后對(duì)根際與非根際土壤各個(gè)粒級(jí)微團(tuán)聚體鎘形態(tài)間的影響效果明顯，在不同鎘污染濃度下隨著生物質(zhì)炭輸入量有逐級(jí)遞增，各個(gè)處理間鎘有效態(tài)含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而殘?jiān)鼞B(tài)含量則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這從本質(zhì)上證明了生物質(zhì)炭的施入對(duì)重金屬鎘污染的削弱作用是切實(shí)可信的。

2.3外加鎘處理下生物炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤綜合酶活性的影響

2.3.1不同處理下生物炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶的綜合酶活性比較

對(duì)不同處理下的水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)相關(guān)的酶活性求幾何平均數(shù)（Geametric mean），作為衡量水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶的綜合指標(biāo)，其計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢灾庇^看出，水稻根際土壤與碳循環(huán)相關(guān)的綜合酶活性值普遍高于水稻非根際土壤。從處理CK到處理Cd5B10，水稻根際土壤碳循環(huán)酶的綜合活性值與非根際土壤碳循環(huán)酶的綜合活性值的差值介于0.542～10.880之間。差異最大的為Cd的施入量2.5mg·kg-1，生物質(zhì)炭的施入量10%時(shí)，其值為10.880。

表2　水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶的綜合酶活性Table 2 Composite activity of carbon cycle enzymes in rhizospheric and non rhizospheric soils of rice plant

2.3.2不同處理下生物炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤氧化還原酶的綜合酶活性比較

對(duì)不同處理下的水稻根際及非根際土壤氧化還原酶活性求幾何平均數(shù)，作為衡量水稻根際及非根際土壤氧化還原酶的綜合指標(biāo)，其計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，水稻土壤氧化還原酶的綜合酶活性值根際土與非根際土差異明顯，從處理CK到處理Cd5B10，水稻根際土壤氧化還原酶的綜合活性值與非根際土氧化還原酶的綜合活性值差值介于-0.307～0.498之間。差異值最大為Cd的施入量5 mg·kg-1，生物質(zhì)炭施入量10%時(shí)，其值為0.498。當(dāng)Cd的添加量為5 mg·kg-1，生物質(zhì)炭的施入量為0時(shí)，其差異出現(xiàn)負(fù)值（-0.307）。

2.3.3不同處理下生物炭輸入對(duì)水稻根際及非根際土壤酶的綜合酶活性比較

表3　水稻根際及非根際土壤氧化還原酶的綜合酶活性Table 3 Composite activity of oxidoreductase in rhizospheric and non rhizospheric soils of rice plant

對(duì)不同處理下的水稻根際及非根際土壤各種酶活性求幾何平均數(shù)，作為衡量水稻根際及非根際土壤的綜合酶活性指標(biāo)，其計(jì)算結(jié)果如表4。可以看出，水稻土壤根際土壤酶活性的綜合值與非根際土壤酶活性的綜合值存在顯著差異，從處理CK到處理Cd5B10，水稻根際土壤氧化還原酶的綜合活性值與非根際土氧化還原酶的綜合活性值差值介于0.387～2.876之間。差異最大為Cd施入量2.5 mg·kg-1，生物質(zhì)炭施入量10%時(shí)，其差值為2.876。

表4　水稻根際及非根際土壤綜合酶活性Table 4 Composite enzyme activity in rhizospheric and non rhizospheric soils of rice plant

3　討論

3.1生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染土壤酶活性的修復(fù)效應(yīng)

重金屬直接作用于酶分子，使酶的構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響酶的活性；其抑制土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，使微生物體內(nèi)酶的合成和分泌量減少，進(jìn)而影響酶的活性；重金屬影響到作物的代謝活力，使根分泌、釋放酶的能力受影響［6］。生物質(zhì)炭的施入可以顯著改變土壤中Cd的形態(tài)和遷移行為，降低土壤中Cd的可提取態(tài)含量，降低重金屬的生物有效性，故對(duì)重金屬具有很好的固持效應(yīng)。Beesley［6］向高Cd、Cu含量的土壤中添加生物質(zhì)炭60 d后，土壤毛細(xì)管水中這兩種重金屬的濃度顯著降低，其對(duì)土壤酶的抑制作用也有所下降；Khodadad等［7］研究認(rèn)為，土壤中施加Cd可使微生物群落發(fā)生改變，從而引起土壤酶活性的變化，與本文的研究成果一致。Steiner等［8］發(fā)現(xiàn)通常土壤中生物質(zhì)炭的施入量為5%～10%時(shí)，土壤呼吸及土壤微生物量與生物質(zhì)炭量呈線性關(guān)系。由于生物質(zhì)炭獨(dú)特的物質(zhì)組成及其自身特有的性質(zhì)，使得其向土壤中的施入可以加速土壤中生物化學(xué)反應(yīng)的活躍程度、土壤微生物的活性以及養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)狀況［9］，進(jìn)而改變土壤酶的活性，且其對(duì)土壤重金屬污染具有很強(qiáng)的吸附及鈍化效應(yīng)。本文通過(guò)研究不同量的生物質(zhì)炭重金屬Cd的共同作用下水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶及氧化還原酶酶活性的變化，得出當(dāng)生物質(zhì)炭的施入量為10%時(shí)，不同量的Cd添加下水稻根際及非根際土壤的酶活性值均高于其他處理，表明10%的生物質(zhì)炭施入量對(duì)不同濃度Cd污染土壤酶活均具有更好的恢復(fù)效果。

3.2植物根際土壤與非根際土壤酶活性的差異性探究

由于植物根系的細(xì)胞組織脫落物和根系分泌物為根系微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)和能量，植物根際的微生物數(shù)量和活性值普遍高于根外土壤，使得水稻根際土壤酶活性值通常高于非根際土壤的活性值。土壤各種酶的積累是土壤微生物、土壤動(dòng)物和植物根系生命活動(dòng)共同作用的結(jié)果，作物可以直接或間接地影響土壤酶含量。前人研究表明，根際土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、水解酶的活性較非根際土壤均有增強(qiáng)［10-11］。孟令軍等［12］對(duì)鹿蹄草根際及非根際土壤酶活性值測(cè)量得知，鹿蹄草的土壤酶也表現(xiàn)出根際酶活性較強(qiáng)的特性，根際土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、酸性磷酸酶活性值比非根際土壤分別高出32.04%、22.40%、30.57%、8.17%，與本文中水稻根際土壤酶活性值普遍高于非根際土壤酶活性值的事實(shí)一致。這是因?yàn)橄鄬?duì)于非根際土壤，根際土壤中的可溶性有機(jī)碳（DOC）含量及pH值顯著增高，根系分泌的可溶性有機(jī)物質(zhì)與土壤中的Cd離子產(chǎn)生絡(luò)合作用，導(dǎo)致根際土壤中的Cd較難解吸［13］，從而有效降低了重金屬對(duì)土壤的危害，促進(jìn)了根際土壤微生物的繁殖和生長(zhǎng)，增加了重金屬污染下作物體內(nèi)酶的分泌和形成，最終顯著提高了作物根際土壤酶的活性。齊曉娟［14］通過(guò)探究羊蹄（Rumex patientia）的根際土壤微生物組成，得知相對(duì)于非根際土壤，羊蹄根際微生物群落更多，主成分分析結(jié)果顯示，自生固氮菌、氨化細(xì)菌是根際土壤的最主要影響因子。同時(shí)，根際土壤酶活性值受作物的類別影響很大，形成原因可能與不同種類的作物其根際土壤微生物活性以及根際分泌物的組成不同有關(guān)。

3.3土壤碳循環(huán)類酶及氧化還原類酶活性值的差異

馬瑞萍等［15-16］通過(guò)研究不同量的有機(jī)碳施入下黃土高原不同植物群落的土壤團(tuán)聚體中的各種酶活性，結(jié)果表明土壤中碳循環(huán)類酶活性值的提高，有助于土壤活性有機(jī)碳含量增加；同時(shí)也有相關(guān)研究證明［17］土壤氧化還原類酶活性值的提高，有助于土壤腐殖質(zhì)的積累，從而從根本上提高土壤肥力。牛文靜等［18］研究表明，外源有機(jī)物料的施入顯著提高了土壤中200～2000 μm和＜2 μm兩粒組中酶活性的綜合指數(shù)，可見(jiàn)土壤酶活性綜合指數(shù)可以較好反映土壤生物學(xué)性狀，是土壤生物質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)土壤碳循環(huán)酶及土壤氧化還原酶分別求取幾何平均數(shù)作為衡量土壤中碳循環(huán)類酶及氧化還原類酶活性的指標(biāo)，結(jié)果表明不同處理下的水稻根際及非根際土壤碳循環(huán)酶活性差值的平均數(shù)為3.024 9，顯著高于不同處理下水稻根際及非根際土壤氧化還原酶活性差值的平均數(shù)0.262 6?？梢?jiàn)在不同量生物質(zhì)炭及重金屬Cd的處理下，水稻根際土壤碳循環(huán)酶的活性值有大幅提高。這與前人［19-21］向水稻土中施入有機(jī)肥顯著提高了土壤中纖維素酶及FDA水解酶等土壤碳循環(huán)酶活性值的結(jié)論相吻合。

水稻根際土壤碳循環(huán)類酶活性的大幅提高可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭的施入顯著提高了土壤中有機(jī)質(zhì)及活性碳含量。馬玉芳［22］通過(guò)傳統(tǒng)耕作及秸稈等有機(jī)肥還田耕作對(duì)比顯示，后者能夠大幅提高土壤有機(jī)碳含量，其含量分別較初始值增加了74.76%和71.13%，這些有機(jī)肥的施入，為纖維素酶及FDA水解酶等參與土壤碳循環(huán)的主要酶的酶促反應(yīng)提供了大量易利用的底物，從根本上激發(fā)了水稻根際土壤碳循環(huán)類酶的活性。土壤氧化還原類酶的活性值升幅則較小，因?yàn)镃d的添加在很大程度上抑制了對(duì)重金屬污染響應(yīng)較為靈敏的氧化還原類土壤酶。

4　結(jié)論

（1）生物質(zhì)炭的施入對(duì)土壤重金屬污染的水稻根際土及非根際土均有顯著的修復(fù)效應(yīng)，當(dāng)生物質(zhì)炭施入量為10%，不同量的Cd添加下水稻根際及非根際土壤的酶活性值均高于其他處理。

（2）外加Cd處理下水稻根際土的碳循環(huán)酶綜合活性值顯著高于氧化還原酶綜合活性值。

（3）水稻根際土壤碳循環(huán)酶的綜合活性指數(shù)值隨著生物質(zhì)炭量的增加，其值總體上升；而根際土壤氧化還原酶的綜合活性指數(shù)值則呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。

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Effects of straw biochar on rhizospheric enzyme activities in Cd contaminated paddy soil

SHANG Yi-jie，ZHANG Xiu，WANG Hai-bo，SHI Jing*
（Yunnan Agriculture University，College of Resource and Environment，Kunming 650201，China）

Biochar may reduce heavy metal bioavailability in soils through enhancing adsorption and thus modifies enzymatic activities in polluted soils.Here an experiment was conducted to explore the effects of biochar additions on activities of redox enzymes and carbon cycle enzymes in the rhizosphere of rice under different cadmium（Cd）pollution.Results showed that under different treatments the comprehensive value of carbon cycle enzyme activities varied between 1.388 and 12.029 in the rhizospheric soil，while from 0.542 to 1.713 in non-rhizospheric soil.The composite value of redox enzyme activities in the rhizospheric soil of rice was in the range of 0.387 to 1.627，but from 0.167 to 1.201 in the non-rhizospheric soil of rice.The activities of both redox enzyme and carbon cycle enzyme in the rhizospheric soil of rice were higher than those in non-rhizospheric soil.At 10%of biochar addition and 2.5 mg·kg-1of Cd content，the activities of carbon cycle enzyme and redox enzyme in the rhizospheric soil were 12.029，and 1.192，respectively，which were the highest.Therefore，this rate of biochar has a remarkable enhancing effect on activities of these two enzymes.

biochar；rice；rhizospheric soil；soil carbon cycle enzyme；soil redox enzyme

S154.2

A

1672-2043（2016）08-1532-09

10.11654/jaes.2015-1694

2015-12-24

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2013FB043）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41301349）

尚藝婕（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥乐亟饘傥廴九c防治。E-mail：1179460788@qq.com

史靜E-mail：383110966@qq.com