梁伊+施寵+張文莉+李萍+李陽+王文全

摘 要：通過盆栽實驗，探討再生水中的Cd對蔬菜土壤酶和微生物的影響。設置4種灌溉方式：清水、清水+Cd、再生水、再生水+Cd，分析了小白菜根際土壤的磷脂脂肪酸的含量和土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性的變化。結果表明：1.小白菜收獲期的土壤微生物PLFA的含量表現(xiàn)為再生水>再生水+Cd>清水>清水+Cd；2.小白菜生長中期蔗糖酶含量中，再生水灌溉與清水對照存在顯著差異（P<0.05），表現(xiàn)為再生水灌溉>清水灌溉，且再生水+Cd處理下的蔗糖酶活性顯著大于再生水灌溉（P<0.05）；3.堿性磷酸酶活性在小白菜生長中期和收獲期差異不大，且在4種不同灌溉處理之間差異顯著（P<0.05）。

關鍵詞：再生水；Cd；小白菜；土壤酶；PLFA

中圖分類號：XS3 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.004

Abstract： This paper discussed the effect of Cd in reclaimed water on soil enzymes and microorganisms in vegetable rhizosphere. Setting four irrigation methods：water，water+Cd， reclaimed water，reclaimed water+Cd. Analyzed the contents of PLFA and the activities of soil urease， invertase and alkaline phosphatase in rhizosphere soil of Brassica chinensis. The results showed that the content of PLFA in soil during the harvest of Chinese cabbage was reclaimed water>reclaimed water+Cd> water>water+Cd.There was a significant difference in the content of sucrosease in the mid-growth of Chinese cabbage（P<0.05），manifested as reclaimed water irrigation> water irrigation，And the activity of sucrosease under the condition of reclaimed water + Cd was significantly higher than that of reclaimed water（P<0.05）.Alkaline phosphatase activity was not significantly different from that in Chinese cabbage， and there were significant differences among the four different irrigation treatments（P<0.05）.

Key words： reclaimed water； Cd； cabbage； soil enzyme； PLFA

再生水又叫做中水，是對各類生活污水和工業(yè)廢水等進行二級或二級以上處理之后達到一定的水質標準，并在一定范圍內可進行重復使用的非飲用水[1]。但相對于常規(guī)的灌溉用水，再生水的氮、磷、鉀較豐富，并含有大量的微生物及一定的重金屬殘留，這不僅可能危害植物生長，還會對土壤酶活性產(chǎn)生影響。在農(nóng)業(yè)用水嚴重緊缺的現(xiàn)狀下，實現(xiàn)再生水農(nóng)業(yè)安全利用，將開辟農(nóng)業(yè)用水的新途徑[2]。

Cd是生物毒性最強的重金屬元素之一，其遷移性很強且極易被植物吸收并積累。新疆農(nóng)業(yè)大學曾對烏魯木齊地區(qū)部分農(nóng)田土壤的重金屬含量進行了調查分析發(fā)現(xiàn)：30%的土壤樣品存在Cd超標，最高值達到20.6 mg·kg -1，是國家無公害生產(chǎn)標準（0.6 mg·kg -1）的34倍[3]。

土壤酶作為土壤中一切化學生物過程的主要參與者，是能量流動和生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)等過程中表現(xiàn)最活躍的生物活性物質[4-6]。由于土壤酶敏感、穩(wěn)定的特性，其活性能較敏感地對土壤中生化反應的程度和方向做出反映，是探討重金屬污染生態(tài)效應的有效指標之一[7-8]。

土壤微生物是維持土壤生物活性的重要組分，它參與土壤中的能量流動、營養(yǎng)循環(huán)和有機物轉化，土壤微生物對干擾反應和養(yǎng)分較敏感，其多樣性和群落結構可較早地反映出土壤環(huán)境質量的變化過程，越來越受到科學家們的重視[9]。目前，磷脂脂肪酸（ PLFA ） 分析被較多地應用于土壤微生物多樣性研究[10]。PLFA檢測方法是根據(jù)脂肪酸可作為生物標記物從而發(fā)展起來的分析技術，鑒定微生物的種屬和分析微生物多樣性是通過分析微生物細胞膜上磷脂脂肪酸的組分來實現(xiàn)的。

文章采用盆栽實驗種植小白菜，研究對象是土壤-小白菜-再生水-Cd-土壤酶-微生物之間的相互作用體系，對再生水灌溉小白菜的可行性及Cd處理土壤后較敏感的生物學指標進行探討，為再生水澆灌蔬菜對土壤生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 水樣、土壤的采集

盆栽灌溉所用再生水為烏魯木齊市虹橋污水處理廠的出水，其各項水質指標均符合 SL368—2006《再生水水質標準》和 GB5084—2005《農(nóng)田灌溉水質標準》；以新疆農(nóng)業(yè)大學實驗室市政管網(wǎng)水作為對照。盆栽試驗用土為烏魯木齊市明珠花卉市場的黑鈣型土壤。

1.2 試驗方法

蔬菜的品種選用四季嫩爽小白菜，花盆每盆裝土8 kg，每盆留苗4株，自2015年7月28日起用處理溶液進行澆灌，每3天灌溉1次，每次每盆均勻灌水1 kg，可使盆栽充分灌溉。設置四種處理：清水、清水+Cd、再生水、再生水+Cd（Cd2+=0.05 mg·L-1，用CdCl2配置），每處理重復4次。分別在灌溉0，4，9次后取土樣，9次灌溉后收獲。endprint

1.3 供試水樣采集及其理化性質

對用于灌溉的再生水及對照所用的清水進行檢測，檢測項目及方法：pH值、硝酸鹽氮—紫外分光光度法；化學需氧量—重鉻酸鉀法測定；懸浮物、總鹽量—重量法；總氮—堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；總磷—鉬酸銨分光光度法；氨氮—納氏試劑比色法。水樣基本理化性質見表1。

與《農(nóng)田灌溉水質標準（GB5084-2005）》相比，再生水中化學耗氧量超標。

1.4 土壤理化性質

土壤理化性質檢測項目及方法：有機質—重鉻酸鉀外加熱法；pH值、硝酸鹽氮—紫外分光光度法；堿解氮—擴散法；TP和TN—H2SO4-H2O2消煮法[6]；土壤理化性質見表2。

1.5 檢測指標與方法

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克量表示；測定蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法，用24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示；堿性磷酸酶活性采用苯磷酸二鈉比色法測定，以每克土壤的酚毫克數(shù)表示[6]。

磷脂脂肪酸測定主要參照Bossio and Scow的方法[11]。在氣相色譜儀（Agilent 6890N）上采用MIDI軟件系統(tǒng)進行分析，測定PLFA各組分的含量。

式中，RF和R分別是標準物質的響應系數(shù)和峰值面積。312.54是內標物的分子量，8是土壤上樣量。

對脂肪酸進行系統(tǒng)命名用 Tunlid和White[12]的方法。不同微生物相對應的PLFA標記見表3。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007及SPSS22.0進行分析，采用Origin7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理對蔬菜根際土壤酶活性的影響

2.1.1 不同灌溉處理對小白菜根際土壤脲酶活性的影響 脲酶可水解尿素生成氨和二氧化碳，對土壤中氮的轉化，尤其是對尿素的利用率等有非常重要的影響，也是土壤中分解酰胺態(tài)氮的酶，活性可以反映出土壤無機氮的供應能力[15]。

如圖1所示，隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤脲酶活性呈先上升后下降的趨勢：從0次灌溉到4次灌溉脲酶活性增長近14倍，而9次灌溉時脲酶活性為4次灌溉時的一半。0次灌溉時小白菜土壤脲酶活性最低并且土壤脲酶活性顯著低于其他兩次灌溉。小白菜在4次灌溉即生長期土壤脲酶活性最大。在收獲期脲酶活性表現(xiàn)為：清水+Cd灌溉>清水對照，再生水+Cd灌溉>再生水灌溉。但在同種灌溉次數(shù)下，4種不同處理之間無顯著差異。

2.1.2 不同灌溉處理對小白菜根際土壤蔗糖酶活性的影響 蔗糖酶能夠把土壤中高分子量的蔗糖分子分解為葡萄糖和果糖，葡萄糖和果糖能夠被土壤微生物和植物吸收利用，從而將充分的能源供給土壤生物體，其活性能夠反映土壤分解轉化和有機碳累積的規(guī)律，影響著土壤的碳循環(huán)。周禮愷[16]認為蔗糖酶活性更多的取決于有機質的類型，因此也應考慮不同植被對土壤酶活性的影響。

如圖2所示，在對小白菜灌溉過程中，土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為：4次灌溉>9次灌溉>0次灌溉，小白菜0次灌溉和9灌溉時期，4種不同灌溉處理方式下的酶活性無顯著差異，但在4次灌溉即蔬菜生長期，不同灌溉方式對土壤蔗糖酶活性的影響有顯著差異。蔗糖酶酶活性從大到小為再生水+Cd>再生水>清水>清水+Cd，且再生水+Cd處理顯著高于其他三種處理的土壤蔗糖酶活性。

2.1.3 不同灌溉處理對小白菜根際土壤磷酸酶活性的影響 土壤磷酸酶是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響的一種酶，在土壤磷素循環(huán)及土壤環(huán)境的磷轉化中起到重要作用[17]。土壤磷酸酶活性是衡量土壤肥力，特別是有效磷水平的一個重要指標。

如圖3所示，0次灌溉到4次灌溉小白菜土壤堿性磷酸酶活性增長近25倍，4次灌溉到9次灌溉之間堿性磷酸酶活性變化不大。

在相同灌溉次數(shù)下：0次灌溉時4種處理間的土壤堿性磷酸酶差異不顯著，4次灌溉時清水與清水+Cd處理之間差異顯著（P<0.05），其他處理之間無顯著差異；9次灌溉時再生水處理與其他三種處理之間差異顯著（P<0.05），且清水+Cd和再生水+Cd處理顯著高于清水處理。再生水+Cd處理始終低于再生水處理后的小白菜土壤堿性磷酸酶活性。

2.2 不同灌溉處理對小白菜根際土壤各微生物類群含量及微生物生物量的影響

蔬菜收獲期4種不同灌溉處理小白菜根際土壤各微生物類群含量及微生物生物量的影響見表4。

表4 所示，小白菜收獲期4種不同處理灌溉其根際土壤中PLFA的含量，清水處理與再生水處理之間有顯著差異（P<0.05），根際土壤中PLFA含量大小表現(xiàn)為：再生水>再生水+Cd>清水>清水+Cd，用再生水灌溉，土壤微生物的生物量最大，是清水灌溉的1.15倍。再生水+Cd灌溉小白菜，土壤微生物生物量比再生水灌溉降低了0.33 nmol·g-1，但仍高于清水對照。清水+Cd灌溉其根際土壤微生物的生物量小于清水對照。得出再生水灌溉有利于小白菜根際土壤微生物各類群數(shù)量的增加，但隨著Cd的添加，小白菜根際土壤微生物的生物量有減少趨勢，Cd表現(xiàn)出了對土壤微生物的抑制作用，但差異并不顯著。

小白菜4種不同灌溉處理根際土壤微生物類群都表現(xiàn)為G->G+>放線菌>真菌。再生水處理與清水處理的G-生物量存在顯著差異（P<0.05），其變化趨勢與總PLFA相同。再生水灌溉小白菜，G-的生物量是對照的1.29倍，再生水+Cd灌溉，G-的生物量是對照的1.21倍，清水+Cd灌溉，G-生物量小于清水對照0.06 nmol·g-1，G-受再生水的影響比其他各類群顯著。G+生物量的表達在4種灌溉方式下的表現(xiàn)為再生水+Cd>再生水>清水>清水+Cd，且再生水灌溉與清水對照之間差異顯著（P<0.05），加Cd和不加Cd之間無顯著差異，真菌和放線菌的生物量也表現(xiàn)出了此規(guī)律。endprint

2.3 不同灌溉處理對小白菜根際土壤微生物群落結構的影響

不同處理的根際土壤均含有不同的脂肪酸單體，其質量分數(shù)見圖4。

本次試驗共檢測到47種單體成分。不同灌溉處理檢測到的單體分別是：再生水處理最多，含45種，再生水+Cd處理43種，清水對照42種，清水+Cd處理最少，檢測到41種。含量大于1的脂肪酸單體依次為：a15：0 、i15：0 、16：1 w7c、16：1 w5c、16：00、10me16：0 、i17：1 w5c、17：0 cyclo、18：1 w9c、18：1 w7c、18：00、19：0 cyclo w8c。大多數(shù)的單體在不同處理中的含量均表現(xiàn)為再生水>再生水+Cd>清水>清水+Cd。其中再生水對單烯類脂肪酸14：1 w5c，飽和脂肪酸i14：0、14：0、15：0、a17：0，不飽和脂肪酸a15：1以及羥基類脂肪酸16：1 2OH的影響較大，用再生水灌溉的小白菜，以上單體含量均大于清水灌溉。單體i14：0、13：0 2OH、a15：1、16：00、17：00、18：00受Cd的影響較大，用含Cd的溶液灌溉的小白菜，以上單體含量均小于清水灌溉。

3 結 論

土壤酶在生態(tài)環(huán)境中有著非常重要的地位，沈桂琴等研究表明，重金屬Cd對土壤轉化酶、脲酶以及堿性磷酸酶的活性有明顯的抑制作用[18]。本試驗研究表明，小白菜在4次灌溉即處于生長中期時，4種不同處理灌溉方式下的土壤脲酶和蔗糖酶均表現(xiàn)為最大值，值得一提的是在蔗糖酶中，再生水與清水灌溉之間存在顯著差異，且再生水+Cd處理下的蔗糖酶活性顯著大于再生水灌溉，這可能是由于小白菜在生長過程中對土壤中各養(yǎng)分的需求量較大，土壤微生物結構復雜，再生水中總氮和氨氮的含量高于清水中的含量，導致酶活性的差異較大，而Cd的添加刺激了蔗糖酶活性增大。

在小白菜收獲期，土壤脲酶和蔗糖酶與生長期相比均有不同程度的下降，清水+Cd與清水灌溉相比表現(xiàn)出了抑制脲酶和蔗糖酶的活性。與清水對照相比，再生水灌溉和含Cd溶液的加入分別表現(xiàn)出了促進和抑制了堿性磷酸酶活性的作用。小白菜收獲時期的土壤微生物群落結構研究表明，PLFA的含量在不同處理下差異顯著，表現(xiàn)為再生水>再生水+Cd>清水>清水+Cd，再生水灌溉增加了微生物各類群的含量，用含Cd的溶液灌溉對微生物各類群的含量及單體的數(shù)量均有不同程度的抑制作用。土壤酶活性與微生物各類群PLFA的含量之間相互作用、相互影響，土壤酶大多數(shù)來源于微生物分泌和植物根系，再生水對微生物的影響較大，再生水促進了微生物各類群PLFA的含量以及單體數(shù)量，因此對土壤酶活性產(chǎn)生了一定的影響。同理，重金屬Cd抑制了土壤微生物各類群PLFA的含量，同時也影響了土壤酶活性在不同處理間存在的差異。

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