污灌對農(nóng)田土壤微生物特性影響研究

張翠英，汪永進，徐德蘭，王同勛

1. 江蘇省徐州工程學院環(huán)境工程學院，江蘇 徐州 221111；2. 江蘇省徐州市云龍湖水庫管理處，江蘇 徐州 221008

隨著環(huán)境污染的加劇，可利用的水資源日益減少，使農(nóng)業(yè)用水受到嚴重威脅，針對這一現(xiàn)狀，城市污水灌溉隨之成為人們研究的熱點（Orchard，1978）。污水灌溉在一定程度上能緩解水資源緊張的局面，對保護水資源有一定的益處，還能給農(nóng)作物增加產(chǎn)量。但由于長期污灌，可能導致對農(nóng)作物造成傷害、土壤環(huán)境質(zhì)量和地下水水質(zhì)的下降等問題。污灌在農(nóng)業(yè)方面的應用國外的研究較多，作物種類和灌溉方式不同，對水質(zhì)要求也不同（Mancino和Pepper，1992；Scott等，2003）；國內(nèi)在這方面研究還處于起步階段，大多數(shù)研究污灌對作物生長的影響（Feng等，2003；楊紅霞，2002）。土壤微生物是土壤中最為活躍的因素之一, 其數(shù)量和組成與作物的生長有著密切的關(guān)系，尤其是在作物根部周圍的微生物，它們能直接將根系周圍的有機物轉(zhuǎn)化為作物可以吸收利用的無機物，并且可以產(chǎn)生生長刺激素和抗生素，從而抑制病原微生物生長，刺激作物生長（中國科學院南京土壤研究所微生物室，1985）。

本研究從土壤微生物學的角度來探究污水灌溉對不同農(nóng)田土壤中常見微生物如細菌、放線菌、真菌等和功能微生物如亞硝化細菌、硝化菌、氨氧化細菌、反硝化細菌、好氣性自生固氮菌、好氣性纖維素分解菌等數(shù)量和分布的影響，并分析污灌土壤微生物數(shù)量與土壤理化性狀的關(guān)系，旨在為農(nóng)業(yè)污水灌溉的實際應用及其標準的制定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

奎河發(fā)源于江蘇省徐州市銅山縣漢王鄉(xiāng)境內(nèi)，經(jīng)云龍湖水庫調(diào)蓄后進入市區(qū)。由于上游水庫平時關(guān)閉攔蓄，奎河水源主要來自徐州市沿岸130多家工廠的工業(yè)廢水和市區(qū) 34萬居民的生活污水，每日廢水量達8×104～10×104t。在干旱季節(jié)，奎河下游關(guān)閘蓄水，未經(jīng)處理的污水直接用于農(nóng)灌（灌溉污水COD質(zhì)量濃度為51~103 mg·L-1，總氮質(zhì)量濃度為0.10~0.31 mg·L-1，總磷質(zhì)量濃度為0.10~0.31 mg·L-1）。引用奎河污水灌溉的土地有徐州市銅山縣三堡鎮(zhèn)、安徽省宿縣等，已有20多年的歷史。

2 工作方法

2.1 采樣方法

試驗地設(shè)在徐州市三堡鎮(zhèn)（奎河水農(nóng)灌區(qū)，污灌區(qū)）及大龍口地區(qū)（對照區(qū)，清灌區(qū)），土壤為黃潮土。試驗地每區(qū)各設(shè)3個處理：大豆（Glycine max）田、玉米（Zea mays）田、水稻（Oryza.sativa）田。在處理地塊內(nèi)取3個樣點土壤的樣品進行微生物區(qū)系及土壤理化性狀分析。在靠近植株根系部，去除表層0~5 cm的表土，采集5~20 cm土壤剖面，多點采集，混勻后按四分法取1 kg，裝入無菌塑料袋帶回實驗室，于4 ℃保存。

2.2 土壤中常見微生物數(shù)量測定

土壤中常見微生物按照平板計數(shù)法測定土樣中細菌（Bacteria）、放線菌（Actinomycetes）和真菌（Fungus）的數(shù)量。細菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌用改良高氏一號培養(yǎng)基，真菌用麥芽汁培養(yǎng)基(100 mL培養(yǎng)基加1滴乳酸)。

2.3 土壤中功能微生物數(shù)量測定

土壤功能微生物數(shù)量分析按照最大可能數(shù)(Most-Probable-Number，MPN)法測定土樣中亞硝化細菌(Nitrite bacteria，NOB)、硝化細菌(Nitrate bacteria，NB)、氨氧化細菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)、反硝化細菌(Denitrifying bacteria，DB)、好氣性自生固氮菌(Aerobic nitrogens-fixing bacteria，ANB)、好氣性纖維素分解菌（Cellulose decomposing bacteria，CDB）的數(shù)量n(MPN)（楊紅霞，2002）。其中亞硝化細菌、硝化細菌培養(yǎng)基為改良的斯蒂芬遜培養(yǎng)基A、B，氨氧化細菌培養(yǎng)基為蛋白胨氨化培養(yǎng)基，好氣性自生固氮菌培養(yǎng)基為改良阿須貝無氮培養(yǎng)基，好氣性纖維素分解菌培養(yǎng)基為赫奇遜氏培養(yǎng)基（李阜棣等，1996）。

2.4 土壤理化性質(zhì)分析

土壤理化性狀的分析項目及方法為：(1) 土壤有機質(zhì)(Organic matter，OM)測定采用重鉻酸鉀一硫酸氧化法；(2) 全氮（Total nitrogen，TN）測定采用半微量凱氏法；(3) 全磷（Total phosphorus，TP）測定采用硫酸一高氯酸一鉬銻抗比色法；(4) 氨氮(Ammonia nitrogen，AN)測定采用苯酚-次氯酸鹽比色法；(5) 有效磷(Available phosphorus，AP)測定采用碳酸氫鈉比色法（陳文新，1989；國家環(huán)境保護局水與廢水監(jiān)測分析方法編委會，2002）。

3 結(jié)果與分析

3.1 污灌土壤中微生物數(shù)量的變化分析

3.1.1 污灌土壤中常見微生物數(shù)量變化分析

不同灌溉方式對土壤常見微生物數(shù)量影響見表1，由表1可知，污灌土壤中的放線菌和真菌n(cfu)均少于清灌對照組，其數(shù)量分別減少 39.78%、79.55%；而污灌土壤中的細菌n (cfu)高于清灌土壤對照組，其數(shù)量增加50.39%。T檢驗分析結(jié)果表明：清、污灌溉土壤中細菌最大可能數(shù)存在顯著差異（P<0.05），放線菌和真菌最大可能數(shù)差異均不顯著。

3.1.2 污灌土壤中的功能微生物數(shù)量的變化分析

不同灌溉方式對土壤功能微生物數(shù)量影響見表2。由表2可知，污灌土壤中亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌 n(MPN)均少于清灌對照組，其數(shù)量分別減少 63.64%、87.50%、36.76%；而氨氧化細菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌n(MPN)均高于清灌對照組，其數(shù)量分別增加100%、233.33%、364.71%。T檢驗分析結(jié)果表明：清、污灌溉土壤中氨氧化細菌和好氣性纖維素分解菌最大可能數(shù)分別存在極顯著差異（P<0.01）和顯著差異（P<0.05），亞硝化細菌、硝化細菌、反硝化細菌和好氣性自生固氮菌最大可能數(shù)差異均不顯著。

3.2 污灌對不同作物根際的微生物數(shù)量的影響

3.2.1 污灌對不同作物根際的常見微生物數(shù)量的影響

污灌地區(qū)大豆、玉米和水稻根際常見微生物數(shù)量分布見圖1。由圖1可知，在大豆根系土壤中，污灌組的細菌、放線菌和真菌 lg[n(cfu)]均大于清灌對照組，真菌存在顯著性差異（P<0.05)，細菌、放線菌差異不顯著。在玉米根系土壤中，污灌組的細菌lg[n(cfu)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，污灌組的放線菌和真菌 lg[n(cfu)]少于清灌土壤對照組，其中真菌存在顯著性差異（P<0.05)。在水稻根系土壤中，污灌組的細菌、放線菌和真菌 lg[n(cfu)]均小于清灌土壤對照組，真菌存在顯著性差異（P<0.05)，細菌、放線菌差異不顯著。由此可見，污灌對不同作物根際常見微生物數(shù)量分布影響較大，大豆根際微生物數(shù)量呈上升趨勢，玉米根際微生物數(shù)量變化不一，水稻根際微生物數(shù)量呈下降趨勢；而這3種作物根際真菌數(shù)量變化均呈顯著差異，這說明污灌對土壤真菌數(shù)量影響很大。

表1 清、污灌溉土壤中常見微生物數(shù)量[n (cfu)] /g干土的幾何均值Table 1 The geometric means of n(MPN) of the common microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

表2 清、污灌溉土壤中功能微生物最大可能數(shù)[n ( MPN)]/g干土的幾何均值Table 2 The geometric means of n(MPN) of the functional microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

3.2.2 污灌對不同作物根際的功能微生物數(shù)量的影響

污灌地區(qū)大豆田、玉米田和水稻田功能微生物數(shù)量分布見圖2。由圖2可知，在大豆根系土壤中，污灌組反硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著少于清灌土壤對照組（P<0.05)，而好氣性自生固氮菌lg[n(MPN)]和好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]均顯著高于清灌對照組（P<0.05)，亞硝化細菌、硝化細菌、氨氧化細菌數(shù)量變化均不顯著。在玉米根系土壤中，污灌組亞硝化細菌和硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著少于清灌對照組（P<0.05)，氨氧化細菌lg[n(MPN)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]極顯著高于清灌對照組(P<0.01)，反硝化細菌數(shù)量差異不顯著。在水稻根系土壤中，污灌組反硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，亞硝化細菌和好氣性自生固氮菌lg[n(MPN)]顯著少于清灌對照組（P<0.05)，好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]極顯著高于清灌對照組(P<0.01)，硝化細菌和氨氧化細菌數(shù)量差異不顯著。由此可見，污灌對不同作物根際功能微生物數(shù)量分布影響也較大，大豆、玉米和水稻根際功能微生物數(shù)量變化各有特點，但這 3種作物根際好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量變化均呈顯著差異，而且好氣性纖維素分解菌數(shù)量呈上升趨勢，這說明污灌對土壤好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量影響很大，而且有利于好氣性纖維素分解菌增殖。

圖2 不同植物根際功能微生物數(shù)量變化情況Fig.2 The change of functional microorganisms number in different plants rhizosphere soil

3.3 污灌土壤微生物數(shù)量與土壤理化性狀關(guān)系

3.3.1 污灌土壤中常見微生物數(shù)量與土壤理化性狀關(guān)系

污灌土壤中常見微生物數(shù)量與土壤理化性狀相互關(guān)系見表 3。分析表明：細菌與土壤中全氮、氨氮和有機質(zhì)呈正相關(guān)，其中與有機質(zhì)呈顯著相關(guān)（r=0.843），放線菌與全磷呈極顯著負相關(guān)（r=-0.921），真菌與與土壤理化性狀之間均未達到顯著性。

3.3.2 污灌土壤中功能微生物數(shù)量與土壤理化性狀關(guān)系

污灌土壤中常見微生物數(shù)量與土壤理化性狀相互關(guān)系見表 4。分析表明：亞硝化細菌、硝化細菌與土壤中總氮、氨氮呈正相關(guān)，其中亞硝化細菌與氨氮呈顯著相關(guān)（r=0.973），這是因為土壤中為硝化細菌提供了充分的底物，促進其生長繁殖，是影響硝化細菌數(shù)的關(guān)鍵因素。土壤中氨氧化細菌可礦化有機氮成+供植物和微生物吸收利用，氨氧化細菌含量與土壤中的有效磷呈顯著負相關(guān)（r=-0.967）。這可能是因為氨氧化細菌、反硝化細菌在生長代謝過程中消耗土壤中較多的有效磷有關(guān)。反硝化細菌、好氣性纖維素分解菌與有機質(zhì)呈正相關(guān)（r=0.220，r=0.843），因為有機物質(zhì)豐富，能源充足，可有效地促進反硝化細菌、好氣性纖維素分解菌的發(fā)育，有利于土壤培肥（宋秋華等，2002）。

表3 污灌土壤中常見微生物數(shù)量與土壤理化性狀的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient between the common microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

表4 污灌土壤中功能微生物數(shù)量與土壤理化性狀的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient between the functional microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

污灌是隨著工業(yè)、城市廢污水排放量的增加和農(nóng)業(yè)用水危機的加劇而出現(xiàn)的，污灌的發(fā)展在一定程度上緩解了水資源短缺，但長期大規(guī)模污灌引起土壤污染等問題，表現(xiàn)為土壤理化性質(zhì)改變（郭曉明，2012）、有機物污染和重金屬污染。污水主要含有COD、氨氮、重金屬等污染物，對土壤微生物會產(chǎn)生一定影響。有研究發(fā)現(xiàn)，利用造紙廢水污灌灘涂土壤后，土壤中細菌、放線菌和絲狀真菌的數(shù)量都有明顯增加（丁成，2003），而且在不同污染程度的土壤中，細菌多樣性指數(shù)差異顯著，最大值出現(xiàn)在中等污染程度土壤中（魯海燕等，2010）。本研究中，奎河污灌農(nóng)田土壤細菌、氨氧化細菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量增加，而放線菌、真菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量的數(shù)量減少，其中細菌、好氣性纖維素分解菌數(shù)量變化達顯著水平(P<0.05)，氨氧化細菌達到極顯著(P<0.01)水平。

有關(guān)污灌對農(nóng)作物生長的研究較多，主要集中在產(chǎn)量影響、品質(zhì)污染等方面（周海紅和張志杰，2001；孫志強，1998），而污灌對農(nóng)作物根系微生物影響的研究很少，本文研究污灌區(qū)大豆、玉米和水稻根系微生物發(fā)現(xiàn)，不同作物根系土壤普通微生物和功能微生物數(shù)量變化各有特點，分布差異很大，但都呈現(xiàn)真菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量變化顯著的發(fā)展趨勢。相關(guān)性分析表明，細菌與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)（r= 0.843），這與黃明勇等對土壤微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系分析結(jié)果相一致（黃明勇等，2007），放線菌與全磷呈極顯著負相關(guān)（r=- 0.921），亞硝化細菌和好氣性自生固氮菌數(shù)量與氨氮含量呈顯著正相關(guān)（r=0.973，r=0.988），氨氧化細菌和反硝化細菌與有效磷含量呈顯著負相關(guān)（r=-0.967，r=-0.988），反硝化細菌和好氣性纖維素分解菌與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（r=0.220, r=0.843）。這說明污灌對農(nóng)田土壤微生物和理化特性影響顯著，而對農(nóng)作物影響呈現(xiàn)兩面性。

4.2 結(jié)論

污灌減少農(nóng)田土壤放線菌、真菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量，顯著增加細菌、氨氧化細菌和好氣性纖維素分解菌的數(shù)量；污灌區(qū)大豆、玉米和水稻根系土壤微生物數(shù)量分布差異很大，但都呈現(xiàn)真菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量變化顯著的趨勢；污灌土壤中微生物含量與土壤理化性狀相關(guān)分析表明，污灌土壤中微生物含量與土壤有機質(zhì)、氨氮、有效磷含量相關(guān)性顯著。

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