土壤环境质量不仅与土壤的理化性质有关，而且与土壤生物学性质关系密切。由于土壤微生物与酶活性比土壤理化性质对土壤质量的变化能做出更快速地响应，所以土壤微生物和酶在污染物生态毒理^{[1, 2]}、污染监测评价^{[3, 4, 5, 6]}和修复^{[7, 8]}等方面的研究受到普遍关注。

PAHs是一类持久性有机污染化合物，已严重威胁到土壤环境质量。近年来，关于土壤酶与有机污染物之间的关系各国学者做了较多研究，如张晶^[9]等研究长期灌溉含多环芳烃污水对稻田土壤酶活性的影响，发现PAHs含量与脱氢酶和脲酶活性呈极显著正相关，与多酚氧化酶活性呈显著正相关；Wyszakowska等^[10]研究了种植燕麦对柴油污染土壤酶活性的影响，结果发现柴油显著抑制了脱氢酶和脲酶的活性，但对酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活只有轻微影响。还有一些研究表明加氧酶^[11]、脱氢酶^[12]、木质素降解酶^[13]也参与了PAHs的降解过程。这些结果通过酶的时间变幅来证实酶能够较灵敏地反映出胁迫环境下土壤生态系统的早期预警，但是酶与PAHs的相关关系还会受到土壤类型、污染物的种类和含量以及实验条件的影响^{[14, 15, 16]}。

植物修复污染土壤是一种公认的经济、实用绿色技术，植物在修复过程中，除了PAHs对土壤酶活性产生影响外，还会受到成活或死亡根系释放的有机物质的影响^[17]，使得酶活性变得较为复杂。关于PAHs污染土壤植物修复过程中土壤酶活性变化的研究还比较少见^{[18, 19]}，而且明确植物与污染物对酶活性影响的研究就更不多见了。为准确表征植物和PAHs对酶活性的影响程度，本研究选用中国亚热带城市普遍采用的4个树种：樟树(Cinnamomum camphora)、广玉兰(Magnolia grandiflora)、栾树(Koelreuteria bipinnata)和马褂木(Liriodendron chinense)，人工配制土壤PAHs污染的3个梯度水平(L1﹤L2﹤L3)，以过氧化氢酶、多酚氧化酶、磷酸酶为研究对象，比较分析污染土壤植物修复过程中土壤酶活性的差异和动态，探讨酶活性与PAHs和不同树种之间的关系，为丰富应用土壤酶作为土壤质量综合评价指标提供理论依据。

试验依托于城市森林生态湖南省重点实验室。试验地设在湖南省长沙市中南林业科技大学城市生态站内(东经112°48′，北纬28°03′)。当地年平均气温16.8 ℃，最高气温40.6 ℃，最低气温-12 ℃，年平均降雨量1400 mm。无霜期为270—300 d，日照时数年均1677.1 h，属典型的亚热带湿润季风气候。试验在面积为22 m × 6 m的不锈钢框架结构的温室内进行。

试验土壤为湖南省株洲市夕阳红苗圃园土壤，土壤没有PAHs污染的历史。土壤自然风干，过5 mm筛，待用。供试土壤和加入污染物后土壤的基本性质见表 1.

试验采用南方城市常见的绿化树种樟树、栾树、广玉兰和马褂木，为一年生实生苗，来源于长沙黄兴镇苗木基地。

PAHs用市售0号柴油代替。多环芳烃在柴油中比例为18%—20%，国内外研究中也经常选择柴油模拟PAHs污染^{[9, 20, 21]}。将0号柴油按照比例与风干过筛的土壤混合，土油充分拌匀后，薄层平铺置于露天环境，使得土壤充分吸附柴油，保证试验期间污染物含量的稳定性。48 h后分装到圆形塑料盆(Φ40cm×H25cm)中，每盆装12kg污染土，装土前，盆钵底部圆孔铺一层落叶，以防止浇灌时水分渗透造成水溶性PAHs流失。

本研究设计4个处理：①L0：不加污染物，种植物；②L1：加2g/kg柴油，种植物；③L2：加10g/kg柴油，种植物；④L3：加50g/kg柴油，种植物；⑤CK：加污染物，不种植物，含CK1(加2g/kg柴油)， CK2(加10g/kg柴油) CK3(加50g/kg柴油)。除了对照(CK)，每种处理下都分别种植4种苗木，每盆只种1株，每个处理每种苗木3次重复。试验总共57盆。

试验期间盆栽放置在温室中培育，随意摆放，每月将盆栽位置随机移动一次，尽量使每盆植物的微环境保持一致，室内温度因开窗对流基本与环境温度保持一致，平时用自来水浇灌，保持所有供试苗木盆内土壤田间持水量在50%左右。试验于2006年10月开始进行，配制好的污染土壤装盆前取一次样(2006年10月)，随后种上植物，分别于3个月(2007年1月)、6个月(2007年4月)、9个月(2007年7月)、12个月(2007年10月)对土壤采样。每次取样时距离树基部5cm处从土层表面直达盆底，其间避免根受伤，每次每盆取土样约1kg。

将盆中所取土壤充分混匀，风干后过2mm筛，用于酶活性的测定。

土壤酶活性：过氧化氢酶—高锰酸钾滴定法，过氧化氢酶活性以20min后1g土壤的0.lN高锰酸钾的毫升数表示(0.1N KMnO₄/g)。磷酸酶—磷酸苯二钠比色法，磷酸酶活性以2h后100g土壤中P₂O₅的毫克数表示(mg P₂O₅/100g)。多酚氧化酶—邻苯三酚比色法，多酚氧化酶活性以3h后100g土壤中紫色没食子素的毫克数表示^[22]。

土壤含水量用烘干法；土壤pH值用电位法测定(水浸)；土壤有机质用重铬酸钾水合加热法；土壤全氮凯氏定氮法^[23]

为定量动态描述PAHs的抑制作用，采用酶活性抑制率予以表征^[24]，负值表示激活作用，正值表示抑制作用。计算公式如下：

酶活性抑制率=(1-A/A₀)×100%

式中，A为PAHs污染土壤酶活性，A₀为对照(CK)酶活性。

数据经Excel软件基础处理后，用SPSS14.0进行方差分析，用Sigmaplot10.0作图，用CANOCO4.5进行主成分分析。

酶活性在植物修复PAHs污染土壤过程中的动态变化结果见图1。过氧化氢酶、多酚氧化酶活性随着时间推移表现出逐渐升高后又下降的过程，磷酸酶活性随着时间推移表现出逐渐降低过程。与种植植物无污染处理(L0)相比，过氧化氢酶活性3个月后在L1、L3污染水平下均高于L0，多酚氧化酶活性仅在9个月时在L1、L2、L3污染水平下高于L0，磷酸酶活性6个月后在L1、L2、L3污染水平下均高于L0，且种植植物无污染处理下过氧化氢酶和多酚氧化酶活性随时间推移变化幅度小。这说明污染物PAHs对土壤酶有激活作用。

图1 植物修复PAHs污染土壤酶活性随时间变化 Fig. 1 The change of enzymatic activities during phytoremediation of PAHs impacted soils over time

图选项

为定量描述在PAHs污染下土壤酶活性的响应变化，我们将3个污染水平下的酶活性与无植物加污染物的土壤酶活性(CK)对比，如表 2所示，过氧化氢酶活性定含量抑制率在-76.71%—13.19%之间，其中3个月L3水平下，抑制率最小(-76.71%)，在污染土壤3个月L2水平下，抑制率最大(13.19%)；多酚氧化酶活性定含量抑制率在-94.98%—16.29%之间，其中6个月L3水平下，抑制率最小(-94.98%)，在污染土壤12个月L3水平下，抑制率最大(16.29%)；磷酸酶活性定含量抑制率在-49.62%—56.38%之间，其中6个月L1水平下，抑制率最小(-49.62%)，在污染土壤12个月L3水平下，抑制率最大(56.38%)。过氧化氢酶活性在L1水平下始终表现出受到抑制，在L2和L3水平得到激活；多酚氧化酶在污染初期就开始得到激活，直到12个月后激活作用才消失；磷酸酶在污染初期活性均受到抑制，然后被激活，但随即又表现出抑制。

同样地，为掌握种植不同植物土壤酶活性对PAHs污染响应，计算出同一树种不同污染水平的酶活性抑制率见表 3，栽培樟树和广玉兰的污染土壤中，过氧化氢酶和多酚氧化酶活性表现为激活，磷酸酶的活性为受到抑制；栽培栾树的污染土壤中，过氧化氢酶活性被激活，而多酚氧化酶和磷酸酶的活性在L1水平下激活，在L2和L3水平下均受到抑制；栽培马褂木的污染土壤中，过氧化氢酶、多酚氧化酶和磷酸酶活性被激活受到抑制。可见，土壤酶活性对PAHs污染的响应受到不同树种的影响。

方差分析(表 4)表明， 在PAHs不同污染水平间，过氧化氢酶活性差异性显著(P＜0.05)，而多酚氧化酶和磷酸酶活性差异性不显著；在不同树种下，3种酶活性差异性不显著；在不同时间下，3种酶活性差异性显著(P＜0.05)；3种酶活性在不同树种×污染水平二因素作用下差异都不显著，同样，3种酶活性在不同时期×污染水平二因素作用下差异也不显著。

为了更好地分析PAHs污染和树种与酶活性之间的复杂关系，对3种土壤酶活性进行了主成分分析。根据提取的主成分个数一般要求累计方差贡献率达到85%的原则^[25]，共提取了2个主成分，累计贡献率达94.19%。其中第1主成分(PC1)的方差贡献率为87.61%，第2主成分(PC2)为6.58%(图2)。结果表明，L1、L2、L3、L0和CK1、CK2均分布在PC1轴上的正方向，但L3和CK3分布在PC2轴上的负方向。可见，PAHs高浓度污染与低浓度污染对土壤酶活性的影响产生了差异，而且种植植物(L0)和无植物的对照(CK)对酶活性影响差异不大。

图2 植物修复PAHs污染土壤酶活性的主成分分析 Fig. 2 Principal component analysis for enzymatic activities during phytoremediation of PAHs impacted soils

图选项

从土壤酶活性的点在影响因子箭头及其延长线的投影点可以表示看出，多酚氧化酶(Po)和磷酸酶(Ph)活性受污染和树种影响较大，过氧化氢酶(Dy)活性受影响较小。

(1)土壤酶作为土壤的组成部分，在物质转化和污染土壤修复等过程中发挥着重要作用。过氧化氢酶是在生物呼吸和有机物的生物化学氧化反应过程中形成的，对土壤有机质分解和转化起着重要作用，同时它能促进 H₂O₂分解，也常被用作PAHs引起的氧化胁迫生物标志物^[26]；多酚氧化酶是一种诱导酶，催化土壤中酚类物质氧化生成醌，常作为土壤氧化势的表征^[16]；磷酸酶属于水解酶，在土壤磷循环中起着催化作用，也常被用来评价土壤管理和土壤污染^[27]。土壤酶主要来源于土壤微生物，然而植物在生长过程中不断分泌无机离子和有机化合物，不仅能为土壤微生物生命活动提供能源使其聚集在根系周围，而且能够极大地改变“根-土壤”界面的物理化学环境^{[28, 29]}，导致酶数量和种类的改变；同时污染物进入到土壤中会引起土壤中各微生物种群活细胞数量及组成结构的变化，导致土壤中的微生物在生理代谢方面做出响应^[30]，最终影响到土壤酶活性，因此土壤酶活性与微生物、植物和污染物三者都有关系，使得活性变化较为复杂。本研究发现，同为种植植物下PAHs污染和无污染(L₀)的对比(图1)，可以看出PAHs对酶有激活作用；从不同污染水平角度分析(表 2)，发现3种酶活性均有不同程度的响应；方差分析和主成分分析均表明植物对酶活性的影响小于污染产生的影响。综上所述，在植物修复过程中，土壤酶活性对污染反应更为敏感。

(2)污染土壤的修复过程是一个长期复杂的生态过程^[31]，土壤从受损状态逐渐复原，必然伴随着一系列生物学指标的变化。本研究结果显示PAHs污染土壤经过植物修复1年结果表明磷酸酶和多酚氧化酶对土壤污染反映敏感，但修复6个月的结果表明过氧化氢酶和多酚氧化酶对土壤污染反映敏感^[21]，马恒亮^[18]等研究认为在35天小麦/苜蓿套作期间，过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性可以作为监测关键酶。因此多酚氧化酶可以作为修复过程中土壤环境质量的指示者，过氧化氢酶和磷酸酶可以分别在修复过程不同时间段来指示土壤质量^[32]。当然，只采用土壤酶活性作为评价土壤生态毒性的唯一指标还不全面，应结合其他生态毒性评价方法表征污染土壤健康状况^[33]。

(1)树种修复PAHs污染土壤过程中，过氧化氢酶和多酚氧化酶活性表现出逐渐升高又下降的过程，磷酸酶活性表现逐渐降低过程。与种植植物无污染处理相比，表明污染物PAHs对土壤酶有激活作用，方差分析表明，过氧化氢酶活性在不同污染水平间差异显著，3种酶活性在不同时间下差异显著。

(2)土壤酶活性对PAHs污染的响应受到不同树种的影响，但受树种影响差异不显著。

(3)主成分分析表明，在植物修复过程中土壤酶活性对污染反应更为敏感。多酚氧化酶可以作为修复过程中土壤环境质量的指示者，过氧化氢酶和磷酸酶可以分别在修复过程不同时间段来指示土壤质量。