蔬菜系统对氮镉互作下酶活性研究进展

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，是土壤肥力评价和土壤自净能力评价的重要指标。土壤重金属离子对土壤酶活性产生抑制或激活作用，同时土壤酶活性变化影响土壤养分释放及从土壤中获取养分的作物生长，因此土壤酶活性的测定将有助判明土壤重金属污染程度及其对作物生长的影响。氮肥作为作物生长的必需营养元素，在蔬菜生产中必不可少，但大量氮肥的施用直接导致蔬菜中硝酸盐含量的增加，严重时还会造成叶片烧伤及氨中毒，降低蔬菜的产量和品质。食品中高浓度的硝酸盐在人体内代谢过程中容易形成亚硝胺等致癌、致畸、致基因突变的物质。所以，蔬菜品质对人体健康十分重要。

（一）土壤中镉与硝酸盐的主要来源、污染现状

1.土壤中镉的主要来源、污染现状及其对土壤酶活性的影响

（1）土壤中镉的主要来源及污染现状

自从日本骨痛病的发生与发现以来，土壤中的镉污染已普遍受到世界人民的关注。近年来随着采矿、冶金以及镉处理等工业的发展，我国农业土壤受镉污染也日益严重。镉污染的土壤，其中镉的污染途径主要有两个，一是工业废气中的镉扩散沉降累积于土壤之中，二是用含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到严重污染。我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近210×107hm2，约占总耕地面积的1/5；其中工业“三废”污染耕地110×107hm2，污水灌溉的农田面积313×106hm2。我国每年因重金属污染而减产粮食超过110×107t，另外被重金属污染的粮食每年也多达112×107t，由此造成的经济损失合计至少为200亿元。李素霞等调查发现，武汉市6大蔬菜基地土壤中重金属普遍超标。因此，重金属污染特别是镉污染需被更多的关注。

（2）镉污染对土壤酶活性的影响

土壤生态系统中，土壤酶是土壤中生物化学反应的催化剂，参与土壤生态环境中许多重要的代谢过程，推动土壤中物质的循环。大量研究表明，土壤酶的活性对环境胁迫反应比较敏感，可以用来指示土壤环境的污染状况。在众多的土壤酶中，磷酸酶、脲酶、蛋白酶和脱氢酶对重金属污染最敏感。镉对酶的抑制效果也是相当明显的，当土壤镉含量达0.25和1.00mg/kg时，就会分别对蔗糖酶和脲酶产生抑制作用。在镉污染条件下，脲酶活性明显下降，过氧化氢酶活性也显著降低，随着镉浓度的增加，转化酶活性均下降。

2.土壤中硝酸盐的主要来源、污染现状及其对酶活性的影响

（1）土壤中硝酸盐的主要来源及污染现状

近年来，随着蔬菜产业的迅速发展，为提高蔬菜产量，设施菜地超量施肥已成为普遍现象。氮素作为植物生长所必需的营养元素，投入量最多，通常远远高于蔬菜生长需求量。研究表明，大量使用氮肥在提高农作物产量的同时会导致蔬菜及土壤硝酸盐含量严重超标。柏延芳等研究表明，施入土壤的氮肥一部分被蔬菜吸收，另一部分被大量淋溶致土壤深层，造成土壤氮素污染。刘宏斌等研究表明0～400cm 土壤剖面硝态氮累积总量以保护地菜田最高，平均达1230kg/hm2。姚春霞等通过对上海菜地的监测结果进行分析，得出菜地土壤表层的硝态氮平均含量状况为：大棚蔬菜地384.29mg/kg，露天蔬菜地111.52mg/kg，大棚蔬菜地土壤表层硝态氮为水田的70倍左右。

（2）硝酸盐污染对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤的一个重要组成部分，主要来自于土壤微生物、植物和动物的活体或残体，参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环，在土壤的发生、发育以及土壤肥力的形成过程中起重要作用。近年来，有研究表明施肥可提高土壤总体酶活性，且与主要肥力因子有显著相关关系，对评价土壤肥力水平有重要意义。进入土壤和累积在土壤中的含氮有机化合物经复杂的生物化学转化，最后转变为植物可以利用的形式，在其转化的每一阶段，均有专性的土壤酶类参与。因此，不同土壤酶活性的差异也代表着不同土壤氮素的转化情况。土壤脲酶与土壤中氮的转化密切相关，土壤脲酶活性可以反映土壤供氮水平与能力。林天等对红壤旱地土壤酶活性的研究表明，长期施肥可影响土壤微生物量及C、N、P 的动态变化，并能调控土壤养分，提高各种土壤酶活性。氮肥作为最常用的化学肥料，其在提高作物产量、改善品质和培肥地力等方面起到了积极的作用，但盲目增施化肥不仅造成作物产量不稳定，土壤结构恶化、肥力下降，农业生产成本上升，并对生态环境造成严重威胁。

（二）不同污染因子交互作用对土壤酶活性的影响

随着工业的发展，进入生态系统中的污染物的种类随时间呈指数增长，环境污染不再是单一污染的理想状态，而是由以各种污染物构成的复合污染为主体。20 世纪70年代以来，土壤环境中多种污染物共存并发生相互作用而形成的复合污染现象已逐渐得到国内外学者的广泛重视，成为了环境科学发展的重要方向之一。近些年来国内外已相继开展了重金属—重金属，以及有机物—有机物复合污染方面的研究工作，并取得了富有成效的理论和实践成果。研究表明，单一及复合污染条件下，重金属元素对土壤酶活性产生明显的抑制作用，其中脲酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性对重金属污染的反应比较敏感。杨志新等研究表明，与单因素相比，复合污染因素处理后的Cd对土壤过氧化氢酶活性的抑制作用增强。许炼峰等在蔬菜盆栽土壤上模拟Cd（0～1.0mg/kg）、Pb（0～10mg/kg）污水灌溉，发现蔗糖酶比脲酶对重金属更敏感。Rogers等发现Pb、Cu、Ni、Cd和Zn复合污染均会降低脱氢酶的活性。杨志新等研究表明，Cd、Zn、Pb复合污染对4 种土壤酶活性的影响效应亦不同，其复合污染对脲酶表现出协同抑制负效应的特征，对过氧化氢表现出一定的屏蔽作用或拮抗作用，转化酶和碱性磷酸酶主要因Cd浓度的变化而变化。罗虹等研究表明，6 种土壤酶活性与Cd，Cu，Ni复合污染之间均呈显著或极显著的相关关系，但Cd、Cu、Ni复合污染对各种土壤酶活性的影响存在着明显差异。沈国清等的研究发现，重金属（Cd、Zn、Pb）和多环芳烃（菲、荧蒽、苯并α芘）复合污染能使土壤酶活性受到不同程度的抑制。

（三）不同改良剂对土壤酶活性的影响

1. 重金属与硝酸盐污染土壤的改良研究

土壤改良剂又称为土壤调理剂（soilconditioner），是一类主要用于改良土壤性质以便更适宜于植物生长，而并非为主要提供植物养分的物料。国内外大量研究表明：实用土壤改良剂能够很好地改善土壤的理化性质，加强土壤的微生物活动，调节土壤的水、肥、气、热状况，最终达到增加土壤肥力的作用。重金属污染土壤的治理方法主要有物理法、化学法和生物法，这几种方法对土壤重金属污染治理均具有一定的改良效果。土壤改良剂的修复机理是通过改变土壤pH，增加吸附位点或促进重金属离子与土壤其他组分（包括改良剂本身）的共沉淀等过程来降低重金属生物有效性。因此，利用土壤改良剂来降低重金属向食物链的迁移。常用的土壤重金属改良剂有石灰、有机肥、腐殖酸施等。石灰被认为是抑制重金属污染土壤植株吸收重金属的有效措施。在土壤中施入石灰能提高土壤的pH，促进重金属生成碳酸盐、氢氧化物沉淀，降低土壤中Cd、Zn等重金属的有效性，从而抑制作物对它们的吸收。刘恩玲等研究表明，有机肥、腐殖酸和栏肥的使用，主要是通过增加土壤中的有机质含量，促进土壤对重金属的吸收螯合，从而降低其迁移能力。农田中氮肥的损失一般经过硝化—反硝化作用、氨挥发、淋溶和径流等途径损失，这不仅浪费肥料，增加农业成本，而且导致和污染地表水和地下水以及N2O（硝化和反硝化作用的产物）对大气的污染。国内外学者研制了大量的硝化抑制剂（如双氰胺DCD 等），通过施用硝化抑制剂，能有效地提高铵态氮肥施入土壤中-N 含量，削弱-N 形成，从而降低氮的淋失。也有研究表明，硝化抑制剂与氮肥配合施用，通过抑制硝化细菌的活性，抑制亚硝化作用，使施入土壤的氮素能够较长时间地以铵态氮的形态存在，供作物利用。硝化抑制剂的使用不仅提高了肥效，而且减少了硝态氮和亚硝态氮淋溶及反硝化造成的氮肥损失，降低环境污染。余光辉等研究表明，下氢醌（HQ）、双氰胺（DCD）和硫脲（TU）3种硝化抑制剂在试验的各个时期均不同程度地降低了土壤和小白菜的硝酸盐含量，其中以双氰胺的效果最好。

2. 改良剂对酶活性影响的研究

国内外学者对用土壤酶活性土壤重金属污染进行广泛的研究。前苏联学者提出蔗糖酶活性可作为土壤重金属污染的评价指标；磷酸酶活性可用作褐色森林生草土壤重金属污染的评价指标；脲酶和转化酶活性可作为土壤重金属污染的预测指标。可欣等研究得出，双氰胺对土壤中性磷酸酶活性的影响主要在培养的前20d，表现为显著的抑制作用；对土壤脲酶活性的影响主要在培养的第20、30d时表现为显著的抑制作用；对土壤过氧化氢酶活性的影响在培养的第30d时表现为显著的激活作用；对土壤转化酶活性影响不大。孟娜等研究表明，施用有机肥显著增加土壤有机磷含量和土壤磷酸酶活性。也有研究表明，土壤有机质含量与土壤脲酶活性呈正相关。李兆林等研究表明，在酸性土壤上施用生石灰使土壤酶活性增强。目前，对改良剂对单一污染改良的研究比较多，并且也取得很多成果，但对复合污染的土壤酶活性的研究较少。

（四）总结与展望

土壤中镉与硝酸盐复合污染会对土壤中的酶活性产生不同程度的影响，通过向土壤中施用土壤改良剂可以在一定程度上改善土壤污染状况，但也会对土壤的酶活性产生影响，通过对酶活性的测定，可以反映出土壤的理化状况，为农业的耕作以至人体的健康提供依据和帮组。

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