植物根系活性对菲浓度的响应——以栾树、樟树为例

荆诚然, 姚文艺, 肖培青, 申震洲, 焦 鹏, 马 力

(黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室, 河南 郑州 450003)

多环芳烃(PAHs)是一种普遍存在于土壤环境中且具有高毒性的持久性有机污染物[1],多环芳烃在土壤环境中的吸收、积累、降解、转化、挥发等行为会影响其在土壤中的形态与残留浓度，进而决定其通过食物链的传递对人类健康所造成的危害性程度。因此，修复被多环芳烃污染的土壤是目前环境和生态领域中的一个难题[2-3]。大量文献研究证实，植物具有去除多环芳烃毒性的能力，许多植物能够在很大程度上去除土壤中的污染物[4],植物修复是一种经济廉价、高效简便、美化景观、不会造成二次污染的绿色技术[5]。而根系分泌物不仅在改变土壤根际区微生物种群数量、组成及其活力等方面发挥着特殊且重要的作用[6]，还能够有效去除土壤中的污染物，改善土壤质量[7]。有研究[8]表明，在苊、萘、芘、菲的污染下，黑麦草根系分泌物中可溶性总糖、草酸和可溶性有机酸的含量均高于空白对照样本。王姣龙[9]以紫玉兰、桂花、栾树和樟树为试验材料，对芘胁迫下4种城市常见绿化树种根系分泌物的成分变化开展了相关研究，发现紫玉兰和桂花根系分泌物中物质种类与芘浓度呈负相关关系，而栾树和樟树根系分泌物中物质种类与芘浓度呈正相关关系。植物向土壤中输送碳(C)、氮(N)的能力是通过其根系分泌物中TOC，TC及TN含量来反映的[10]。植物在受到一定有害物质胁迫时，其根系分泌物种类和含量会发生变化[11]。总的来说，目前相关研究主要侧重于植物根系分泌物成分的变化特征，而对其根系活性及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量的变化关系研究较少。本试验以栾树(Koelreuteriapaniculata)、樟树(Cinnamomumcamphora)作为典型树种，开展植物根系活性特征及其根系分泌物中TOC，TC，TN含量之间变化关系的研究，探讨这两个树种根系分泌物在菲胁迫下的响应机制，为植物修复被多环芳烃污染土壤提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在中南林业科技大学温室内开展菲胁迫下栾树与樟树根系活性特征及其调控作用的试验研究。供试材料为苗高和长势基本一致的1年生栾树和樟树实生苗；试验土壤采自于中南林业科技大学校东园苗圃表层0—20 cm的土壤，属于我国南方地区常见的红壤，自然含水率和总孔隙度分别为21.77%和44.59%，土壤中TN含量为0.99 g/kg，磷(P)含量为0.38 g/kg，钾(K)含量为6.13 g/kg，有机质含量为17.59 g/kg，pH值为4.69,属于酸性土壤。将供试土壤自然风干后，用2 mm土壤筛粗滤待用。将多环芳烃代表物菲溶解于丙酮溶剂中，与供试土壤混合均匀后，每份土壤1 kg，平衡30 d。

将供试苗木根系用蒸馏水洗净后，移栽到装有供试土壤的塑料盆中，在温室中培养30 d，每日定时定量浇水，保持土壤表层有薄水层，温室的日间温度为24 ℃，夜间温度为18 ℃，自然光照条件。菲浓度设置为0 mg/kg(L0)，100 mg/kg(L1)，1 000 mg/kg(L2)共3个处理水平[12-13]，分别标记为L0，L1和L2，其中L0为对照试样。每盆栽种1株供试苗木，每个处理水平设置6份土样，分组设置采用随机区组模式。

将不同处理水平的供试苗木用自来水冲洗干净，再用新制蒸馏水浸泡5 min并反复冲洗3次，然后以2株为单元将其放置在装有0.5 mol/L CaCl2溶液的广口瓶中，瓶的容积为1 500 ml，用锡箔纸将已经进行高温灭菌处理的广口瓶包裹好，使根系处在黑暗状态下，收集过程中保持连续通气状态，静置24 h。根系分泌物分别经过滤纸、滤膜过滤后置于冰箱中，温度设定为4 ℃保存。将根系分泌收集后的苗木用于根系活性测定。

1.2 测定方法和数据处理

使用日本岛津TOC-500总有机碳分析仪测定植物根系分泌物中TOC，TC与TN的含量，用排水法测量植物根系体积，甲烯蓝吸附法测定根系总吸收面积和活跃吸收面积[14]。采用Excel软件进行数据整理和图形绘制。

2 结果与分析

2.1 根系分泌物中TOC，TC和TN含量对菲浓度的响应关系

以根系分泌物中TC，TOC，TN含量用于衡量栾树与樟树对菲浓度的响应程度。试验表明，栾树、樟树根系分泌物中TC，TOC和TN含量均对菲浓度有着明显的响应关系，且两个树种的响应关系基本一致。由图1可知，栾树根系分泌物中，对照试样的TOC含量为160.05 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为114.56和102.45 mg/(株·d)，相较于对照试样分别降低了28.4%，36.0%；对照试样的TC含量为164.60 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为119.15，107.03 mg/(株·d)，L1和L2相较于对照试样分别降低了27.6%，34.5%；对照试样的TN含量为7.91 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为9.51和8.58 mg/(株·d)，L1和L2相较于对照试样分别升高了20.2%，8.5%。TOC，TC含量均随菲浓度的升高呈下降趋势，TN含量则随菲浓度的升高先微升后微降。同时，TC与TN之比在3种菲处理水平下分别为20.81，12.54和12.48，随菲浓度升高而下降。樟树根系分泌物中，对照试样的TOC含量为122.91 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为99.76，42.36 mg/(株·d)，相较于对照试样分别降低了18.8%，65.5%；对照试样的TC含量为127.75 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为104.92，47.17 mg/(株·d)，L1和L2相较于对照试样分别降低了17.9%，63.1%；对照试样的TN含量为5.68 mg/(株·d)，L1和L2试样则分别为5.09，2.16 mg/(株·d)，L1和L2相较于对照试样分别下降了10.4%，62.0%。总的来说，樟树根系分泌物中TOC，TC与TN含量随菲浓度的升高均呈下降趋势，三个试样的TC与TN之比分别为22.49，20.61，21.84，随菲浓度呈先下降后升高的趋势(图1)。进一步分析表明，3个处理水平下，栾树根系分泌物中TOC，TC，TN含量均高于樟树。栾树与樟树根系分泌物中TC，TOC含量随菲浓度升高，均呈下降趋势。栾树的TC∶TN始终低于樟树。

图1 栾树与樟树不同菲浓度处理水平下的TC∶TN

2.2 根系活性比较

根系的活跃吸收面积是衡量根系活性的一个重要标准。在3个处理水平下，栾树根系的总吸收面积分别为2.83，4.47和2.97 m2，相应的活跃吸收面积分别为1.46，2.37和1.54 m2，总吸收面积和活跃吸收面积随菲浓度升高均呈先上升后下降趋势。樟树根系的总吸收面积在3个处理水平下分别为2.97，2.50和2.43 m2，相应的活跃吸收面积分别为1.56，1.32和1.30 m2，与栾树不同的是，樟树的总吸收面积和活跃吸收面积随菲浓度升高均呈持续下降趋势。对照试样中栾树的根系总吸收面积和活跃吸收面积均低于樟树，但在L1和L2水平下，栾树根系总吸收面积和活跃吸收面积均高于樟树。显然，菲的添加对樟树根系活性的影响比栾树的更大一些。

2.3 根系分泌物中TOC，TC，TN含量的变化关系

试验结果表明，随菲浓度升高，栾树根系总吸收面积和活跃吸收面积与其根系分泌物中TN含量变化趋势一致，均呈先升后降趋势，说明低浓度菲促进了栾树根系活性及根系分泌物中氮素的分泌。而TOC，TC的含量则呈下降趋势，说明菲抑制了栾树根系分泌碳素。栾树根系总吸收面积、活跃吸收面积与根系分泌物中TN含量分别呈正相关关系，而总吸收面积、活跃吸收面积与根系分泌物中TOC，TC含量分别呈负相关关系。樟树TOC，TC，TN含量及根系总吸收面积、活跃吸收面积随菲浓度的升高均呈下降趋势。樟树根系总吸收面积、活跃吸收面积与根系分泌物中TOC，TC，TN含量呈负相关关系，说明菲抑制了樟树根系活性及根系分泌物中碳、氮的分泌。进一步分析表明，同一植物根系分泌物中TOC，TC和TN含量的变化具有不同的响应关系。栾树根系分泌物中TC，TN含量之间整体呈负相关关系，随TC含量升高，TN含量相应降低，也就是说，栾树根系分泌物中的TC含量升高，则其TN含量就会降低。另外，就同一含量而言，TN的变幅并不大(图2)。对于樟树而言，其根系分泌物中TC与TN含量之间具有正相关关系，随TC含量升高，TN含量也随之升高，其间的变化规律与栾树有着较大差异(图3)。

图2 不同菲浓度处理栾树根系分泌物 中TC含量与TN含量的关系

图3 樟树根系分泌物中TC含量与TN含量的关系

另外，从根系分泌物中TC含量与其活跃吸收面积的关系来看，栾树与樟树是有一定差别的。栾树根系分泌物中TC含量与其根系活跃吸收面积之间无明显的相关关系，三种处理水平中，在栾树根系分泌物中TC含量相近的情况下，L1处理水平下根系活跃吸收面积最大，L2处理水平下最小，这说明低浓度的菲对栾树根系活性有一定的促进作用，高浓度的菲会抑制栾树的根系活性(图4)。对于樟树而言，其根系分泌物中TC含量与其根系活跃吸收面积呈负相关关系，樟树根系分泌物中TC含量随其根系活跃面积的增大而降低(图5)。

图4 栾树根系分泌物中TC含量与其根系活跃吸收面积的关系

图5 樟树根系分泌物中TC含量与其根系活跃吸收面积的关系

3 结 论

植物根系分泌物中TC，TOC及TN含量能反映植物根系分泌物的总量，同时能反映植物根系向土壤输入碳氮的能力。土壤环境的变化会对植物根系分泌物成分及含量产生影响[15-16],植物在受到一定有害物质毒害时，根系分泌物组成成分的浓度会发生变化，增加根系分泌物中部分组分的产生和累积，这主要是植物对有害物质毒害的应激反应，通过增加根系分泌物调节根际微域环境，使得根际微域环境利于有害物质的分解[17-18]。

(1) 随着菲浓度的升高，栾树与樟树根系分泌物中TOC，TC和TN含量总体均呈下降趋势，表明菲的添加对植物根系分泌量存在抑制作用。这也说明根系组织和细胞在多环芳烃胁迫下，会对T，N产生一种保护和调节机制。当然了，这也可能是根系生理功能遭到破坏产生的结果，对其发生机理需要进一步研究。

(2) 菲胁迫能够影响植物根系活性，随着菲浓度的升高，栾树、樟树根系总吸收面积和活跃吸收面积总体呈下降趋势。另外，樟树根系的总吸收面积和活跃吸收面积均低于栾树，这表明樟树对菲的添加表现出受胁迫现象，而栾树则表现出一定的耐受性。

(3) 在菲胁迫下，两个树种根系分泌物中TOC，TC与TN含量之间的变化具有一定的制约关系，但树种不同，其制约关系也存在差异。就试验组次范围而言，栾树根系分泌物中TC与TN含量之间具有正比关系，而樟树则成反比关系。3种处理水平下，栾树根系分泌物中TOC，TC与TN的含量均高于樟树，这说明在菲的胁迫下栾树根系分泌量大于樟树。通过菲胁迫下根系分泌量和根系活性的比较，表明栾树相较于樟树对菲具有更好的耐受性。