朱蕓蕓，李 敏，曲 博，趙 暾，滕澤棟

(北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

蘆葦根際土壤有機(jī)磷組分的季節(jié)變化及與磷酸酶活性的關(guān)系①

朱蕓蕓，李 敏*，曲 博，趙 暾，滕澤棟

(北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

通過野鴨湖濕地一年實(shí)驗(yàn)研究了蘆葦根際土壤中各組分有機(jī)磷含量隨植物生長(zhǎng)的變化規(guī)律，分析了不同有機(jī)磷組分與磷酸單酯酶、磷酸二酯酶活性間的關(guān)系。結(jié)果表明：有機(jī)磷含量分布為活性有機(jī)磷(L-OP)<中活性有機(jī)磷(ML-OP)<中穩(wěn)定性有機(jī)磷(MR-OP)<高穩(wěn)定性有機(jī)磷(HR-OP)，各組分含量均隨蘆葦生長(zhǎng)先降低后升高。在蘆葦對(duì)養(yǎng)分需求最大的旺盛生長(zhǎng)期，L-OP、ML-OP含量達(dá)到最低值，分別為2.46、3.27 mg/kg；在此階段，MR-OP、HR-OP含量也有所降低。在有機(jī)磷礦化過程中，HR-OP一定程度上可轉(zhuǎn)化為ML-OP，ML-OP與MR-OP主要轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-OP。磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性均隨蘆葦生長(zhǎng)先降低后升高，在其旺盛生長(zhǎng)期達(dá)到最低值，分別為PhOH 0.37 mg/(g·h)和PN 62 mg/(g·h)。磷酸酶活性均與L-OP、ML-OP、HR-OP含量呈極顯著或顯著正相關(guān)，活性磷含量的高低對(duì)磷酸酶活性有明顯的影響作用，兩種磷酸酶在一定程度上也可水解轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性高的有機(jī)磷組分。衰亡期的蘆葦，其衰敗的老根及脫落物可間接促進(jìn)磷酸酶活性。

有機(jī)磷；磷酸單酯酶；磷酸二酯酶；根際土壤；蘆葦

磷作為一種不可再生的寶貴資源，礦石中的儲(chǔ)量十分有限。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近35年人類對(duì)磷的開采已達(dá)到了頂峰，后期將嚴(yán)重影響全球的糧食產(chǎn)量[1]。按目前消耗速度預(yù)計(jì)，礦石中的磷將在100 ~ 250年內(nèi)消耗殆盡[2]。植物從土壤中吸收的磷主要為磷酸鹽，只有極少部分有機(jī)磷能被植物直接利用。一般有機(jī)磷占全磷的10% ~ 15%，在有機(jī)質(zhì)含量高的黑土中，有機(jī)磷可達(dá)全磷的60% ~ 70%[3]，與無(wú)機(jī)磷相比，有機(jī)磷具有較大的移動(dòng)性，被土壤無(wú)機(jī)礦物固定程度低等特點(diǎn)。在磷酸酶的作用下，即使是難溶于水的有機(jī)磷經(jīng)水解后可釋放出無(wú)機(jī)磷以供植物吸收利用[4–5]，但在磷酸酶缺乏的情況下, 土壤有機(jī)磷的釋放需要幾百年的時(shí)間[6]。李文華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶參與土壤磷形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，堿性磷酸酶活性與活性有機(jī)磷、非活性有機(jī)磷均呈正相關(guān)關(guān)系，且非活性有機(jī)磷為生物有效磷的潛在磷源。馮固等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，玉米根際土壤堿性磷酸酶能有效提高玉米對(duì)土壤有機(jī)磷的吸收利用。周馳等[9]的研究也發(fā)現(xiàn)巢湖沿岸土壤有機(jī)磷與速效磷和藻類可利用磷含量密切相關(guān)，其轉(zhuǎn)化過程受磷酸酶活性影響。因此，磷酸酶對(duì)土壤有機(jī)磷的礦化分解過程有重要作用。

根據(jù)磷酸酶水解酯鍵的類型把磷酸酶分為磷酸單酯酶和磷酸二酯酶。自然界中，有機(jī)磷大多以磷酸單酯或二酯的形態(tài)存在[10–11]，參與有機(jī)磷水解的磷酸酶主要為磷酸單酯酶和磷酸二酯酶[10]。因此研究磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性對(duì)研究有機(jī)磷轉(zhuǎn)化機(jī)制有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)磷含量分布及其與磷酸酶的關(guān)系做了大量的研究[12–15]，大多是關(guān)于湖泊河流沉積物或耕地土壤中酸性和堿性磷酸酶與有機(jī)磷組分間的關(guān)系[16–18]，對(duì)濕地植物根際土壤中磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的研究尚缺乏。因此本文研究了蘆葦根際土壤中不同組分有機(jī)磷含量隨植物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，同時(shí)測(cè)定了根際土壤中磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的活性，分析了根際土壤中有機(jī)磷含量與磷酸酶活性的關(guān)系，研究結(jié)果可進(jìn)一步完善磷酸酶在有機(jī)磷轉(zhuǎn)化過程中的作用機(jī)制，并對(duì)濕地在緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化中的作用以及如何提高植物對(duì)有機(jī)磷的吸收利用提供有效依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本文選擇典型濕地植物——蘆葦(Phragmitescommunis)為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)樣品采自北京市延慶縣野鴨湖濕地 40°26￠32.102N，115°51￠24.122E 處，地理位置及采樣點(diǎn)位的分布情況如圖1所示，蘆葦群落主要分布于離河流邊緣稍遠(yuǎn)的陸地上。

圖1 野鴨湖濕地自然保護(hù)區(qū)平面圖及采樣點(diǎn)位分布圖Fig. 1 Diagram of Yeyahu wetland natural reserve and the sampling sites

野鴨湖濕地的湖水一般在 4月份開始解凍，此時(shí)多年生的挺水植物開始發(fā)芽生長(zhǎng)，因?yàn)闅夂蛟颍傍喓竦氐臍鉁卦?013年4月份仍然十分低，11月植物死亡并已被冰層覆蓋。因此采樣周期為2013年5—10月每月中旬。采集方法為：挑選長(zhǎng)勢(shì)較好的植株，采用“抖根法”[19]抖落掉不含根系的大塊土壤，再用刷子仔細(xì)掃取根系表面的土壤，混合均勻作為根際的土樣并3次重復(fù)取樣，12 h內(nèi)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室處理，自然風(fēng)干后過100目篩待用。其中，用于分析土壤含水率的樣品采用新鮮土樣。濕地背景土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 背景土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of background soil

1.2 磷酸酶活性測(cè)定方法

磷酸單酯酶和磷酸二酯酶活性的具體測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[20]，對(duì)照組用蒸餾水代替底物處理。磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的活性分別以1 g土壤在37 ℃下培養(yǎng) 1 h產(chǎn)生的苯酚(PhOH)和對(duì)硝基酚(PN)的質(zhì)量表示。

1.3 有機(jī)磷組分測(cè)定方法

采用化學(xué)連續(xù)提取法對(duì)根際土壤中各形態(tài)有機(jī)磷進(jìn)行測(cè)定，具體測(cè)定方法見參考文獻(xiàn)[21]。將有機(jī)磷分為活性有機(jī)磷(L-OP)、中活性有機(jī)磷(ML-OP)、中穩(wěn)定性有機(jī)磷(MR-OP)、高穩(wěn)定性有機(jī)磷(HR-OP)。磷含量的測(cè)定均使用鉬銻抗分光光度法[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Microsoft Excel 2007及 SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件處理，文中所有圖形于軟件Origin9.2中完成。所有數(shù)據(jù)使用單因素方差分析，Duncan法顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，相關(guān)性分析采用Pearson法分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 蘆葦根際土壤中各有機(jī)磷組分含量的季節(jié)變化

蘆葦根際土壤不同有機(jī)磷組分含量隨季節(jié)變化如圖2所示，有機(jī)磷組分含量分布為L(zhǎng)-OP

圖2 蘆葦根際土壤中各形態(tài)有機(jī)磷的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variations of OP contents inPhragmites communisrhizosphere soils

MR-OP含量隨蘆葦生長(zhǎng)先減后增，范圍分別為47.25 ~ 98.55mg/kg。MR-OP為潛在的生物有效性磷，主要成分為富里酸結(jié)合的含磷化合物[25]。HR-OP作為穩(wěn)定性較高的有機(jī)磷形態(tài)，隨著蘆葦生長(zhǎng)變化較小，先略有降低后逐漸升高，含量范圍78.57 ~ 131.1 mg/kg，其主要成分包括腐殖質(zhì)中胡敏酸和胡敏素中的有機(jī)磷形態(tài)、肌醇含 4 ~ 6個(gè)磷酸的鐵鋁鹽或者少量被Fe2O3膠膜所包裹的鋁或鈣磷[26]。

2.2 蘆葦根際土壤中磷酸酶活性的季節(jié)變化

蘆葦根際土壤磷酸酶活性隨季節(jié)變化特征如圖3所示，磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性均隨著蘆葦生長(zhǎng)先降低后升高，磷酸單酯酶活性在 7月達(dá)到最低值，為0.37 mg/(g·h)(以PhOH量計(jì))，磷酸二酯酶活性在6月份達(dá)到最低值，為62 μg/(g·h)(以生成的PN量計(jì))。磷酸二酯酶主要作用于土壤中的磷酸二酯，將其水解為磷酸單酯，此后又在磷酸單酯酶的作用下轉(zhuǎn)化為植物可利用的正磷酸鹽[27–28]。磷酸單酯主要包括肌醇磷酸酯、磷蛋白、磷酸糖類、單核苷酸[29]；磷酸二酯主要包括DNA、RNA、磷脂、胞壁酸[30–31]。因此，磷酸二酯酶的水解產(chǎn)物恰好是磷酸單酯酶水解過程的底物，磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性變化趨勢(shì)大致相同。隨著蘆葦?shù)纳L(zhǎng)，根系變強(qiáng)，土壤酶活性逐漸增強(qiáng)。9月蘆葦進(jìn)入衰亡期，其衰敗的老根以及老根表面脫落的表皮為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)源，促進(jìn)了微生物的新陳代謝，也進(jìn)一步提高了根際土壤磷酸酶的活性，磷酸酶活性在10月達(dá)到了峰值。

2.3 蘆葦根際土壤中磷酸酶活性與有機(jī)磷組分的關(guān)系

磷酸酶是一種誘導(dǎo)酶或適應(yīng)性酶，其活性除受植物根系和微生物的影響外，還間接地受土壤無(wú)機(jī)磷酸鹽含量的支配。蘆葦在旺盛生長(zhǎng)期內(nèi)大量吸收無(wú)機(jī)磷，造成根際土壤短暫的活性磷虧缺。根系在低磷脅迫下，會(huì)隨著蘆葦?shù)纳L(zhǎng)分泌多種酚類、酶類以及有機(jī)酸等，這些分泌物能直接或間接地改變土壤的性質(zhì)。同時(shí)，蘆葦根系巨大的表面積以及分泌物又為大量微生物提供了良好的附著載體，微生物又能向外釋放植酸酶、磷酸酶等各種酶類。酸性磷酸酶主要來(lái)源于植物根系，堿性磷酸酶一般由細(xì)菌、真菌產(chǎn)生[32]。這些都為穩(wěn)定性磷轉(zhuǎn)化成活性磷提供了有利條件。

圖3 蘆葦根際土壤中磷酸酶活性的季節(jié)變化Fig. 3 Seasonal variations of phosphatases activity inPhragmites communisrhizosphere soils

將濕地植物根際土壤磷酸酶活性與各有機(jī)磷組分進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表2。由表2可知，磷酸酶與大部分有機(jī)磷組分有明顯相關(guān)性，說明磷酸酶與有機(jī)磷的礦化轉(zhuǎn)化過程有著密切聯(lián)系。土壤中的L-OP與ML-OP含量與磷酸單酯酶、磷酸二酯酶活性都呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，表明L-OP與ML-OP含量的高低對(duì)磷酸酶活性有明顯的影響。L-OP與ML-OP在蘆葦旺盛生長(zhǎng)期含量最低，磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性也在此階段達(dá)到最低值，這與張廣娜等[10]的研究結(jié)論一致。有學(xué)者認(rèn)為，磷酸酶的活性也可作為衡量土壤有效磷素水平的參考指標(biāo)[10,33]，但也有學(xué)者認(rèn)為土壤酶來(lái)源的廣泛性以及研究方法的復(fù)雜性，養(yǎng)分有效性與土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系還很難建立[34]。磷酸單酯酶、磷酸二酯酶活性與HR-OP含量分別呈極顯著(P<0.01)和顯著正相關(guān)(P<0.05)，表明這兩種酶一定程度上也能水解轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性高的有機(jī)磷組分。

ML-OP、MR-OP含量與L-OP含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，表明有機(jī)磷組分在礦化分解過程中，L-OP為ML-OP、MR-OP轉(zhuǎn)化后的主要有機(jī)磷組分。這與有關(guān)學(xué)者[35–36]得出的結(jié)論一致，李繼明[36]在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤處于磷虧缺狀態(tài)下，ML-OP與MR-OP是土壤有機(jī)磷釋放有效磷的主要組分，且按照先ML-OP后MR-OP的順序降解，其中相當(dāng)一部分MR-OP是經(jīng)ML-OP再降解為L(zhǎng)-OP，L-OP為ML-OP與MR-OP為植物供磷的速效有機(jī)磷庫(kù)。此外，HR-OP含量與 ML-OP含量也呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明HR-OP礦化過程中可轉(zhuǎn)化為ML-OP。ML-OP與HROP主要成分中均包含植酸鹽，植酸鹽是金屬離子與肌醇六磷酸結(jié)合形成的肌醇六磷酸鹽，其穩(wěn)定性與肌醇六磷酸對(duì)金屬離子的絡(luò)合能力有關(guān)[37]，植酸鈣、鎂等化合物相對(duì)于植酸鐵、鋁等化合物穩(wěn)定性較差，植酸鈣、鎂等化合物屬于ML-OP，植酸鐵、鋁等化合物屬于HR-OP。在水解過程中，酶對(duì)肌醇六磷酸與金屬離子的絡(luò)合能力也產(chǎn)生了影響[38]，使穩(wěn)定高的有機(jī)磷組分在此過程中穩(wěn)定性降低，因此HR-OP在礦化過程中一定程度上可轉(zhuǎn)化為ML-OP。

表2 蘆葦根際土壤磷酸酶活性與各有機(jī)磷組分的相關(guān)性Table 2 Correlations between phosphatase activity and organic P fractions inPhragmites communisrhizosphere soils

3 結(jié)論

1) 蘆葦根際土壤各形態(tài)有機(jī)磷含量分布為L(zhǎng)-OP< ML-OP

2) 磷酸單酯酶與磷酸二酯酶活性隨蘆葦生長(zhǎng)先降低后升高，酶活性也在蘆葦旺盛生長(zhǎng)期達(dá)到最低值，分別為0.37 mg/(g·h)和62 μg/(g·h)。凋落物對(duì)磷酸酶活性具有明顯的促進(jìn)作用，磷酸酶活性均在植物衰亡期達(dá)到峰值。

3) 磷酸單酯酶、磷酸二酯酶活性與L-OP、MLOP、HR-OP含量均有極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，活性磷含量的高低對(duì)磷酸酶活性有明顯的影響，兩種磷酸酶在一定程度上也可水解轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性高的有機(jī)磷組分。

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Seasonal Variations of Organic Phosphorus Composition and Their Relationship with Phosphatase Activity inPhragmites communisRhizosphere Soil

ZHU Yunyun, LI Min*, QU Bo, ZHAO Tun, TENG Zedong
(College of Environmental Science and Engineering,Beijing Forestry University,Beijing100083,China)

Seasonal variations of different organic phosphorus (OP) composition and their relationship with phosphomonoesterase and phosphodiesterase activities inPhragmites communisrhizosphere soil were studied by one-year experiment of Yeyahu wetland. The results showed that the contents of different OP compositions were ranked in the order of labile OP (L-OP)< Moderately labile (ML-OP)

Organic phosphorus; Phosphomonoesterase; Phosphodiesterase; Rhizosphere soil;Phragmites communis

S154.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.007

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279004)和人事部留學(xué)基金委擇優(yōu)資助項(xiàng)目(優(yōu)秀項(xiàng)目類)資助。

* 通訊作者(liminbjfu@126.com)

朱蕓蕓(1991—)，女，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境污染機(jī)制與修復(fù)技術(shù)。E-mail: bessie_zyy@bjfu.edu.cn