施用菌肥对玉米种植下铜污染土壤酶活性的影响

摘 要：采用盆栽试验，研究了在不同用量菌肥条件（施入菌肥0，50，100，200 g）下，不同品种玉米（晋单56号、长玉16号、大正2号）对铜污染土壤中4种酶（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶）的影响。结果表明：对于大正2号和长玉16号玉米，施入菌肥用量100 g对铜污染土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶有明显的激活效应，其含量均高于其它处理；对于晋单56号，施入菌肥用量200 g对铜污染土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶有明显的激活效应；对铜污染土壤中4种酶的影响，大正2号（Cu+J-100）>晋单56号（Cu+J-200）>长玉16号（Cu+J-100）。研究认为：大正2号玉米施入菌肥用量100 g对铜污染土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶有明显的激活效应，土壤中4种酶含量最高，分别为0.225 0，72.727 6，0.858 0，3.755 7 mg·g-1。

关键词：土壤酶；重金属；作物；菌肥

中图分类号：S513 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.10.016

Effects of Applying Bacterial Manure on Enzymes of Copper Contaminated Soil with Planting Corn

GUO Zhuo-jie1，LI Tao1，YANG Ji-fei1，OH Kokyo2，CHENG Hong-yan1

（1. College of Resources and Environment ，Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030801，China；2.Center for Environmental Science in Saitama，914 Kamitanadare， kazo， Saitama 347-0115， Japan）

Abstract：With pot experiment，this paper studied the effects on 4 kinds of enzymes （urease， catalase， sucrase， phosphatase） of different varieties of corn （Jin dan56， Changyu16， Dazheng2） in copper contaminated soil in different dosage of bacterial manure conditions （0，50，100，200 g）.The results showed that for Dazheng 2 and Changyu 16， the dosage of 100 g bacterial manure in copper contaminated soil had apparent activation effect on catalase， urease， invertase and phosphatase；for Jindan 56， the dosage of 200 g bacterial manure in copper contaminated soil had apparent activation effect on catalase， urease， invertase and phosphatase；the effect of four kinds of enzyme in the copper contaminated soil， Dazheng 2 （Cu + J - 100） > Jin dan 56 （Cu + J - 200） > Changyu16 （Cu + J - 100）. The comprehensive consideration was that for Dazheng 2 corn， the amount of 100 g bacterial manure had the most obvious effect on catalase， urease， invertase and phosphatase activation， and the sizes of the four kinds of enzyme were 0.225 0，72.727 6， 0.858 0， 3.755 7 mg·g-1 respectively.

Key words： soil enzymes； heavy metals； crops； bacterial manure

近年来，随着土壤环境污染问题的日益严重，土壤重金属污染的防治问题已成为生态环境修复研究领域的重要内容之一，其中利用土壤酶活性来表征土壤重金属污染程度是其中一个尤为重要的方面 [1-3]。土壤酶是土壤的生物活性成分之一，它参与土壤中的众多代谢过程，是土壤生态系统代谢的重要动力，土壤中所进行的一切生物学和化学过程都要由酶的催化作用才能完成，在生态系统的物质和能量循环等过程中，土壤酶起到表征物质和能量转化强度的作用[4-5]。研究土壤酶活性的变化，将有助于了解土壤肥力状况及其演变[6-7]。而微生物菌肥（菌肥）对改善土壤营养结构，增强土壤肥力，促进作物生长，增强作物抗病能力等方面具有重要作用[8]。

目前关于重金属和土壤酶活性关系的研究已经很多，但多侧重于一种或几种重金属对土壤酶活性的影响或者是超富集作物在修复土壤重金属过程中对土壤酶的影响等方面，而菌肥和重金属复合条件下，玉米对铜污染土壤的修复研究还是很少报道的。故此，本研究通过盆栽试验，在重金属土壤中施加不同用量的菌肥，并且用不同品种的玉米进行修复，探讨其对土壤中4种土壤酶活性的影响，进而反映出菌肥对土壤酶的影响，并且选出对土壤酶影响较大的玉米品种和菌肥浓度配比，为铜污染土壤的修复与利用提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区在山西农业大学资源环境学院实验站大棚。山西省太谷县位于晋中盆地东北部，属暖温带大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，无霜期175 d，降雨量462.9 mm。供试土壤为石灰性褐土，pH值为 8.38，碱性土壤。其中碱解氮为129.41 mg·kg-1，速效磷为7.713 8 mg·kg-1，速效钾为16.6 mg·kg-1，有机质含量为10.9 g·kg-1，土壤交换量为23.92 cmol·kg-1，土壤铜含量为64.42 mg·kg-1。

1.2 供试作物和肥料

供试农作物：选择3个玉米品种，分别为晋单56号、长玉16号和大正2号。

供试肥料：以复合肥（N-P2O5-K2O，17-17-17，总养分≥51%）为基肥；微生物菌肥。

供试重金属铜的样品：CuSO4·5H2O （分析纯）。

1.3 试验方法

供试作物于2013年4月份种植，种植120 d，8月中旬收获。

试验共设4个处理，分别为：铜处理土壤+菌肥0 g（CK）；铜处理土壤+菌肥50 g（Cu+J-50）；铜处理土壤+菌肥100 g（Cu+J-100）；铜处理土壤+菌肥200 g（Cu+J-200）。在4种处理的土壤上种植3种不同品种的玉米，重复3次。每盆装10 kg的供试土壤，为确保试验土壤重金属铜达到统一的二级标准限制值100 mg·kg-1，每盆土壤所施用化学试剂CuSO4·5H2O（分析纯）为1.39 mg，随水施入土壤中，每盆施入复合肥5 g。

1.4 测定项目与方法

土壤脲酶：靛酚比色法[9]。

土壤过氧化氢酶的测定：容量法（用高锰酸钾滴定）[9]。

土壤蔗糖酶的测定：磷酸二氢钠比色法[9]。

土壤磷酸酶测定：磷酸苯二钠比色法[9]。

1.5 数据处理方法

土壤基本理化性状分析采用常规方法。所有数据均采用Excel和Dps软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米种植下菌肥对铜污染土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶主要来源于植物和微生物，是决定土壤中氮转化的关键酶，其活性高低反映了各种生化过程的方向和强度。脲酶是一种酰胺酶，直接参与尿素形态转化，能促进有机质分子中肽键的水解，是尿素分解必不可少的一种酶[10-11]。由图1的方差分析可知：对于大正2号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）脲酶活性分别提高了69.7%，61.7%，15%，说明大正2号玉米加入菌肥100 g后显著激活了土壤中脲酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤脲酶的活性；对于晋单56号玉米，（Cu+J-200）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-100）脲酶活性分别提高了61.3%，20.9%，3.7%，说明晋单56号玉米施入菌肥200 g显著激活了土壤中脲酶的活性；对于长玉16号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）脲酶活性分别提高了85.9%，42.1%，24.1%，说明长玉16号玉米施入菌肥100 g显著激活了土壤中脲酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤脲酶的活性。而大正（Cu+J-100）比晋单（Cu+J-200）、长玉（Cu+J-100）分别提高了6.7%和9.7%，并且差异性显著。由以上数据分析得出：大正2号玉米，施入菌肥100 g对铜污染土壤中脲酶活性的激活效应最明显。

2.2 不同品种玉米种植下菌肥对铜污染土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶主要来源于细菌、真菌以及植物根系的分泌物，是参与土壤中物质和能量转化的一种氧化还原酶，具有分解土壤中对植物有害的过氧化氢的作用，其活性能反映土壤腐殖化强度大小和有机质积累程度[12-13]。过氧化氢酶活性以20 min内每克土壤消耗0.1 mol·L-1 KMnO4的毫升数表示[14]。由图2的方差分析可知：对于大正2号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）过氧化氢酶的活性分别提高了6%，3.4%，4.1%，说明大正2号玉米加入菌肥100 g显著激活了土壤中过氧化氢酶的活性，加入菌肥200 g抑制了土壤中过氧化氢酶的活性；对于晋单56号玉米，（Cu+J-200）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-100）过氧化氢酶的活性分别提高了5.9%，2.1%，1.9%，说明晋单56号玉米施入菌肥200 g显著激活了土壤中过氧化氢酶的活性；对于长玉16号玉米，（Cu+J+100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）过氧化氢酶的活性分别提高了4.6%，1.3%，2.9%，说明长玉16号玉米施入菌肥100 g显著激活了土壤中过氧化氢酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤过氧化氢酶的活性。而大正2号玉米（Cu+J-100）比晋单56号玉米（Cu+J-200）、长玉16号玉米（Cu+J-100）分别提高了0.9%和1.8%，并且差异性显著。由以上数据分析得出：大正2号玉米，施入菌肥100 g对铜污染土壤中过氧化氢酶的活性激活效应最明显。

2.3 不同品种玉米种植下菌肥对铜污染土壤蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶能催化多种低聚糖的水解，在土壤碳循环中起着重要的作用。它比其他酶类更能明显地反映土壤肥力水平和生物学活性强度以及各种农业措施对土壤熟化的影响[15]。蔗糖酶活性主要以24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克数表示[16]。由图3的方差分析可知：对于大正2号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）蔗糖酶的活性分别提高了19.5%，6.9%，18.6%，说明大正2号玉米施入菌肥100 g显著激活了土壤中蔗糖酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤蔗糖酶的活性；对于晋单56号玉米，（Cu+J-200）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-100）蔗糖酶的活性分别提高了15.5%，14.3%，11.8%，说明晋单56号玉米施入菌肥200 g显著激活了土壤中蔗糖酶的活性；对于长玉16号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）蔗糖酶的活性分别提高了14.7%，1.6%，3.6%，说明长玉16号玉米施入菌肥100 g显著激活了土壤中蔗糖酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤蔗糖酶的活性。而大正（Cu+J-100）比晋单（Cu+J-200）、长玉（Cu+J-100）分别提高了3.46%和3.5%，并且差异性明显。由以上数据分析得出：大正2号玉米，施用菌肥100 g对铜污染土壤中蔗糖酶的活性激活效应最明显。

2.4 不同施肥条件下不同作物对铜污染土壤磷酸酶的影响

土壤磷酸酶是植物根系与微生物的分泌产物，直接影响土壤中有机磷的分解转化和生物有效性[17]。土壤磷酸酶活性以24 h后每克土壤酚的毫克数表示。由图4的方差分析可知：对于大正2号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）磷酸酶的活性分别提高了55.9%，29.4%，22.5%，说明大正2号玉米加入菌肥100 g显著激活了磷酸酶的活性，施入菌肥200 g抑制了土壤磷酸酶的活性；对于晋单56号玉米，（Cu+J-200）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-100）磷酸酶的活性分别提高了25.8%，12.6%，4.9%，说明晋单56号玉米施入菌肥200 g激活了土壤中磷酸酶的活性；对于长玉16号玉米，（Cu+J-100）比CK、（Cu+J-50）、（Cu+J-200）磷酸酶的活性分别提高了43.6%，6%，19.2%，说明长玉16号玉米施入菌肥100 g显著激活了土壤中磷酸酶的活性，施入菌肥200 g抑制土壤磷酸酶活性。而大正（Cu+J+100）比晋单（Cu+J+200）、长玉（Cu+J+100）分别提高了6.5%和8.5%，并且差异性明显。由以上数据分析得出：大正2号玉米，施用菌肥100 g对铜污染土壤磷酸酶的活性激活最明显。

3 讨 论

（1）对于大正2号玉米和长玉16号玉米，随着菌肥用量（0，50，100，200 g）逐渐增大，铜污染脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶大小先增大后减小，在菌肥用量为100 g时，4种酶活性最大，所以施入菌肥100 g对土壤中4种酶活性的激活效应最明显。

（2）对于晋单56号玉米，随着菌肥用量（0，50，100，200 g）逐渐增大，铜污染土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶大小也逐渐增大，施入菌肥200 g对土壤中4种酶活性的激活效应最明显。

（3）对于土壤中脲酶活性大小，大正（Cu+J-100）>长玉（Cu+J-100）>晋单（Cu+J-200）。

（4）对于土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性大小，大正（Cu+J-100）>晋单（Cu+J-200）>长玉（Cu+J-100）。

4 结 论

综上所述，关于施用菌肥对玉米种植下铜污染土壤酶活性的影响，对4种土壤酶活性激活效应最明显的方式是施入100 g菌肥的大正2号玉米（Cu+J-100），其次是施入200 g菌肥的晋单56号玉米晋单（Cu+J-200），最后是施入100 g菌肥的长玉16号长玉（Cu+J-100）。

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