铜污染胁迫条件下农田土壤酶活性及微生物多样性对大气CO_2浓度升高的响应

摘要：在开放式大气CO2 浓度升高平台上（Free-Air CO2 Enrichment，简称FACE），采用盆栽实验，研究了不同浓度Cu 污染胁迫条件下，稻麦轮作土壤中土壤酶活性及土壤微生物多样性对大气CO2 浓度升高的响应。结果表明，大气CO2 浓度升高显著诱导了清洁土壤中蛋白酶、脲酶、尿酸酶活性以及微生物多样性；正常大气和大气CO2 浓度升高条件下，3 种酶活性都随着土壤Cu 污染胁迫的增加而逐渐降低；低浓度Cu 污染胁迫条件下（50 mg·kg-1），FACE 圈中的土壤脲酶和蛋白酶活性显著高于正常大气（Ambience）圈，尿酸酶活性无显著变化；高浓度Cu 污染胁迫条件下（400 mg·kg-1），土壤脲酶与蛋白酶活性无显著变化，尿酸酶活性则显著降低，其原因可能与不同酶系对铜污染胁迫的敏感差异性以及大气CO2 浓度升高对土壤中铜的活化作用有关。与清洁土壤相比，低浓度Cu污染（50 mg·kg-1）对微生物生长具有一定的刺激作用，Ambience 圈和FACE 圈土壤微生物多样性都有所增加，FACE 圈中这种现象更为明显；高浓度Cu 污染胁迫（400 mg·kg-1）对土壤微生物表现出了明显的毒害作用，微生物多样性有所降低，但在FACE 圈中土壤微生物多样性的降低程度要低于Ambience 圈，其影响机制有待进一步研究。

    当前，大气CO2 浓度升高和农田土壤重金属污染问题已引起极大的关注[1-3]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测到21 世纪末大气CO2 浓度将达到700μmol·mol-1[1]。大量研究表明大气CO2 浓度升高显著增加植物根系生物量和根际沉积物，改变根系分泌物的化学组成[4-5] ，进而影响到土壤微生物[6]及土壤酶活性[7]。同时近年来农田土壤重金属污染日益严重[2]，农业上含Cu 杀菌剂以及微量营养肥料的施用，工业上Cu 矿的过度开采及含Cu 污染物的大量排放，导致农田土壤Cu 污染加剧。
    土壤酶是评价土壤环境质量的重要生物学指标，可用于监测土壤污染和土壤肥力[8]。微生物群落结构和多样性的变化能敏感地反映出土壤质量状况，是土壤环境质量评价不可缺少的重要生物学指标[9]。大量的研究表明，大气CO2 浓度升高可通过植物-土壤这一复合系统影响土壤微生物群落结构、微生物数量、活性、呼吸作用等[10-12]，进而间接地影响土壤酶的活性。Drissner 等通过9 a 的研究发现，大气CO2 浓度升高增加了土壤微生物多样性并使得土壤酶活性增强[13]。Korner 等的研究中也发现了类似的现象[14-16]。虽然目前很多学者研究报道了大气CO2 升高对土壤酶及土壤微生物群落的影响，但是这些研究关注的重点都是清洁土壤，均未考虑重金属污染土壤中土壤酶和微生物在未来气候条件下的变化。土壤重金属污染会影响土壤微生物群落结构、生物量和活性[17-18]。Cu 作为典型土壤重金属污染元素之一，已有学者研究了低浓度Cu 污染对水稻的氧化胁迫作用对大气CO2 浓度升高的响应[19]。但对土壤生态系统中极为重要的土壤微生物、土壤酶等指标，在土壤Cu 污染和大气CO2浓度升高共同作用下，其多样性或活性将发生怎样的变化，目前尚无相关研究报道。
    本文利用开放式大气CO2 浓度升高平台（Free-Air CO2 Enrichment，以下简称FACE），研究Cu 污染胁迫条件下，稻麦轮作土壤中，土壤酶活性和微生物多样性对大气CO2 浓度升高的响应，以期为科学评估未来气候条件下土壤Cu 污染的生态风险提供基础数据。