農業(yè)土壤生態(tài)功能穩(wěn)定性的影響因素及其相關性分析

陳欣瑤,陳楸健,李敏,牛曉叢,周陽,趙喬,張園

蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院,江蘇蘇州215009

農業(yè)土壤生態(tài)功能穩(wěn)定性的影響因素及其相關性分析

陳欣瑤,陳楸健,李敏,牛曉叢,周陽,趙喬,張園*

蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院,江蘇蘇州215009

本文以全國13種不同區(qū)域農業(yè)土壤為研究對象，通過對CO2呼吸速率、土壤理化性質、香農指數(shù)的測定來描述不同土壤類型的生物性抵抗力和恢復力特征，探索影響土壤功能抵抗力和恢復力的關鍵因子，從而實現(xiàn)土壤質量評價的量化表征。研究表明，在加銅（Cu）脅迫的情況下，不同土壤類型中微生物的抵抗力、恢復力（試驗組/控制組的比值f(t)）存在先降低后增加的趨勢或者呈完全下降的趨勢，表明土壤受到銅脅迫后總會出現(xiàn)功能穩(wěn)定性下降的現(xiàn)象，但對于自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性好的土壤，會恢復銅脅迫帶來的毒性危害。理化性質與生物功能穩(wěn)定性的關系通過相關性的回歸分析得到：pH與抵抗力有正低度相關性，與恢復力和穩(wěn)定性不相關；CEC與抵抗力之間的關系為正相關；C/N與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性均為不相關關系；DOC的濃度與抵抗力和恢復力不相關，與穩(wěn)定性的低度相關；砂粒百分比與土壤對銅脅迫的恢復力呈指數(shù)下降關系，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，R2=0.6468，表明，砂粒百分比越高，土壤應對銅脅迫所體現(xiàn)的恢復力越弱。香農指數(shù)表明，銅脅迫能夠減少土壤微生物的種群密度和均勻度，改變微生物群落結構，降低微生物活動，降低生物群落多樣性。

土壤性質;土壤生物;抵抗力;恢復力

隨著人口增長速度和城市化進程的加快和現(xiàn)代工農業(yè)的發(fā)展，大量污染物質以廢水、廢氣、廢渣的形式在人為開采利用的過程中進入土壤生態(tài)系統(tǒng)并不斷累積，在近年來帶來嚴重的污染問題，其中耕地土壤污染問題與人類生存健康最為息息相關。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，在經受污染或者劇烈環(huán)境變化后，系統(tǒng)的一些組成和功能隨著時間的推移可能會部分或者完全恢復。研究土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其內在機理，對于科學評價土壤污染對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義[1]。穩(wěn)定性同時也是評價土壤健康和土壤質量的重要指標[2]。土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)賴以存在和演化的基本前提，區(qū)別于外在影響因素，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制因子被認為是一種內在的機制[3-5]。McCann認為生態(tài)學研究中穩(wěn)定性有兩種內涵：一種是生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性；另一種是系統(tǒng)對抗干擾所帶來系統(tǒng)變化的能力，包括抵抗力和恢復力兩個方面[6]。土壤生物功能穩(wěn)定性可以通過抵抗力和恢復力來衡量[2,7,8]，抵抗力和恢復力的程度反映了生物功能在染毒過程中的變化[9,10]，因此評價土壤的質量和健康程度需要在脅迫狀況下的土壤抵抗力和恢復力來把握，從而預測出土壤受到污染等不利因素之后，生態(tài)功能能否迅速復原。也就是說，對土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要圍繞土壤微生物群落及其生態(tài)學功能對抗脅迫維持不變的能力[1]。

微生物活性在維持土壤生產力可持續(xù)性方面起著十分關鍵的作用，因為土壤中有機質的周轉和礦化、養(yǎng)分轉化以及有機廢棄物的循環(huán)等均依賴于土壤微生物的代謝活動[11]。因此，土壤微生物活性可以反映出土壤中微生物的活動及其降解污染物質的能力。微生物活性的具體表現(xiàn)為微生物對有機質礦化所引起的呼吸作用[12]。土壤基礎呼吸是在培養(yǎng)期間單位質量土壤平均每天所礦化的有機碳量,反映了土壤生物活性與物質代謝的強度[13]。土壤環(huán)境受到脅迫或干擾條件下，微生物為了維持生存可能需要更多的能量，而使土壤微生物的代謝活性發(fā)生不同程度的反應[11]。一般認為，重金屬污染能引起微生物生物量的下降，而土壤呼吸量的增加則被認為是微生物對逆境的一種反應機理[11]。英國Macaulay牧場土壤的研究發(fā)現(xiàn)，隨銅（Cu）濃度的升高，微生物呼吸速率迅速上升[14]。郭星亮等研究表明，低劑量Cu能提高微生物群落對聚合物類碳源的轉化與利用的能力，高劑量Cu對微生物群落利用中間代謝物和復雜大分子類碳源產生一定的抑制作用[15]。楊元根等研究表明，受Cu污染的早期階段，土壤微生物呼吸強度升高，微生物代謝熵增大，但土壤對Cu高強度的結合使該效應隨時間延長而減弱；Cu脅迫使微生物對碳源的優(yōu)先利用種類發(fā)生轉移，碳源消耗量增加，消耗速度變快，且這種損傷效應具有長期性[14]。秦永生、劉振乾[16]研究了Cu和Pb單一污染對土壤呼吸強度的影響，認為其隨污染物的濃度和培養(yǎng)時間而變化，DMRT法檢驗表明，在后期各處理與對照間的呼吸強度都存在顯著差異，前期則差異不顯著。

許多研究表明[17,18]群落的多樣性有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產力和可持續(xù)性，充分強調了微生物多樣性高低對生態(tài)系統(tǒng)功能維持的重要作用。除了土壤中微生物對土壤穩(wěn)定性能產生影響外，土壤自身的物理性質也能發(fā)揮一定的作用。Griffiths[19]等采用砂質土壤和粘壤土，研究了土壤質地對于生物穩(wěn)定性的影響，實驗施加Cu脅迫和熱脅迫，以土壤誘導呼吸強度為生物穩(wěn)定性指標。結果顯示土壤質地對生物穩(wěn)定性的影響顯著。對此李小方[1]等認為土壤質地的差異導致了土壤一系列理化性質的差異，如粘壤土比表面積大，吸附有機質多，而砂質土壤持水量低，土壤孔隙中氧氣含量高，從而造成了生物穩(wěn)定性的差異。張斌等[21]將高度降解的泥炭作為有機物添加到土壤中，結果發(fā)現(xiàn)添加有機物能顯著提高機械壓實后土壤結構的恢復。這是由于有機質被土壤吸附之后，具有類似于彈簧的作用，能夠促進了土壤受到壓縮之后的反彈。

雖然越來越多的研究表明微生物多樣性的下降是對土壤生態(tài)系統(tǒng)的一個嚴重威脅，對于重金屬脅迫下土壤微生物群落的變化取得了一定的進展，也進一步研究了微生物群落與土壤穩(wěn)定性之間的作用關系，但多集中在某幾種重金屬對特定酶的作用機理，而對于重金屬脅迫機制并不明確，表征指標仍比較混亂未形成統(tǒng)一體系。但由于土壤系統(tǒng)自身的復雜性，還難以定量描述土壤微生物對抗環(huán)境脅迫所起的作用，對其中作用機制的理解也還比較模糊。此外，多數(shù)研究通過稀釋強行降低多樣性的方法存在嚴重缺陷；對于土壤理化因素影響抵抗力和恢復力具有共識，但是對重金屬脅迫下土壤的理化性質對土壤抵抗力與恢復力變化影響效果沒有給出直觀的量化判斷。因此本研究將選取全國13種不同區(qū)域農業(yè)土壤，通過對CO2呼吸速率、土壤理化性質（pH、C/N、土壤粒徑、CEC、DOC等）的測定，來描述不同類型土壤對Cu脅迫的抵抗力和恢復力特征，其中，本研究假設土壤抵抗過程與污染物擴散過程有關，恢復過程與污染物老化和微生物生長有關，而污染物擴散過程和老化過程是土壤結構、有機質和pH等影響因素的函數(shù)。因此通過測定理化性質等因素對土壤的抵抗力和恢復力的影響，并對顯著因子采取數(shù)學建模進行量化表征；借助香農指數(shù)來分析生物多樣性與土壤生物功能穩(wěn)定性的關系，從而實現(xiàn)土壤質量評價，為土壤污染修復提供全新角度的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用容量250 mL的白色塑料瓶做培養(yǎng)試驗，為了捕獲土壤樣品的礦化氣體，在塑料瓶內放置裝有NaOH的小玻璃瓶（見圖1）。處理A：土壤樣品加Cu脅迫；處理B：土壤樣品無脅迫；空白組：無土樣無脅迫。

1.2 試驗材料

本實驗的土壤樣品取自我國13個不同農業(yè)土壤類型的區(qū)域（見圖2）取得土樣，取樣時，除去表層1 cm左右的浮土，采集適量表層0～20 cm深度的潔凈泥土。用來測試底物誘導呼吸速率試驗的土樣風干并過2 mm篩網，其余土壤樣品密封好置于冰箱4℃保鮮。

樣品采集的地理坐標和土壤類型如表1所示。

圖1 試驗設計Fig.1 Design of reactor

圖2 土樣采集點示意圖Fig.2 Map of soil sampling

1.3 測定方法

1.3.1 pH值的測定稱取風干土樣10 g于50 mL燒杯中，加入25 mL無二氧化碳水，用玻璃棒快速攪動1～2 min后靜止30 min。風干土樣pH測定，做五個平行，取平均值。

1.3.2 含水率的測定準確稱取鮮土樣5 g（m1）于錫箔紙，包裹完好后放入105℃烘箱中烘烤12 h，稱重得m2，利用公式計算：含水率=（m2-m1）/m1×100%[21]。

1.3.3 離子交換系數(shù)CEC試驗稱取0.500 g的土樣，加入0.1 mol/L BaCl220 mL，搖床搖震2 h，250 rpm，然后離心，3000 rpm，離心20 min，上清液0.45μm濾膜過濾，稀釋一定倍數(shù)，ICP-AES測定Ca，Mg，Na，K，Mn和Fe的濃度，最后通過公式計算CEC[22]。

1.3.4 溶解性有機碳（Dissolved Organic Carbon，簡稱DOC）測定取10 g新鮮土樣，按照土：水為1∶5的比例混勻，在25℃條件下，以250 r/min的速度振蕩1 h，接著在轉速為15000 r/min離心10 min，上部懸浮液過0.45μm薄濾膜，過濾液用碳自動分析儀來測定(TOC-Vcph,Shimadzu,Japan)。

1.3.5 碳氮比(C/N)測定每個反應裝置中各取1.00 g（干重）土壤樣品，冷凍干燥12 h，然后研磨，過0.075 mm篩，使用元素分析儀(型號TOC-VWP)測得碳氮比[23]。

1.3.6 底物誘導呼吸速率試驗13種土壤分別取12 g，置于塑料瓶中（250 mL）同時將土壤含水率控制在15%。土壤被隨機進行二種方式處理：（一）控制，無擾動施加；（二）Cu脅迫，加入CuCl2溶液（Cu量：100 mg/kg干土重），含水率從15%調至18%。然后處理A、B均向裝有12 g土壤的瓶中加入30 mg/g葡萄糖。將裝有5 mL 0.2 mol/L的NaOH溶液的玻璃瓶放置在250 mL的塑料瓶中，用于捕捉土壤有機質礦化所生成的二氧化碳。塑料瓶密封，并在28℃下培養(yǎng)12 h。塑料瓶從培養(yǎng)箱中取出后，迅速將NaOH液體轉移至100 mL三角瓶中，加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液，再加兩滴酚酞，用0.05 mol/L的HCl滴定[24]。每組處理有三個重復，另取3個瓶子不加土壤作為空白。為了便于說明時間，第0 d是當Cu脅迫被應用的時間。分別在加入Cu脅迫后第1，3，15，30和60天進行測定。

取第1、3、15、30、60 d五個時間點為橫坐標，對各時間點的數(shù)據通過式1進行處理，并取其為縱坐標（見表3），描繪恢復曲線。土壤抵抗力、恢復力以及穩(wěn)定性計算：

式中，f(t)為土壤抵抗力/恢復力。其中，f(1)反應土壤抵抗力，f(1)越大，土壤的抵抗力越強；f(60)反應土壤恢復力，f(60)越大，土壤恢復力越強；

CO2-stressed(t)為試驗組第td的CO2的濃度；

CO2-control(t)為對照組第td的CO2的濃度；

Sb為土壤穩(wěn)定性，Sb越大，土壤穩(wěn)定性越強。

1.3.7 香農-威納指數(shù)（Shannon Index）測定香農-威納指數(shù)（簡稱香農指數(shù)），H=樣品的信息含量（彼得/個體）=群落的多樣性指數(shù)，在個體分配越均勻，H值就越大。計算公式：

式中，Sobs=測試樣的個數(shù)；

ni=第i種的個體數(shù)目；

N=群落中所有種的個體總數(shù)。

1.3.8 相關性分析為了探討土壤理化性質對農業(yè)土壤的抵抗力、恢復力和穩(wěn)定性的影響性，數(shù)據采用SPSS19.0軟件中的Pearson、顯著性（雙側）進行相關性分析。

Pearson相關系數(shù)—R：用來衡量兩個數(shù)據集合是否在一條線上面，衡量定距變量間的線性關系。

顯著性（雙側）—P：用來體現(xiàn)顯著性分布概率，其中，0.01＞P＞0.05表示差異性顯著；P＞0.01表示差異性極顯著。

2 結果與討論

2.1 土壤理化性質

土壤理化因素構成了土壤生物的生存環(huán)境，理化因素的變化勢必會影響到土壤生物群落的穩(wěn)定性[25,26]。為了研究土壤理化性質對于土壤生物功能穩(wěn)定性的影響，故本研究對來自全國13種不同類型的土樣進行了理化性質的測定，具體結果見表1。

表1 不同土壤的理化性質Table 1 Physic-chemical properties of soil samples

2.1.1 pH根據土壤酸堿度等級劃分標準（http://www.tdzyw.com/2010/0726/1007.html），本研究共選用了酸堿度不同的13種土樣，本研究所測得的不同農業(yè)土樣pH范圍為4.54～8.19（詳見表1），其中，對這些土樣的酸堿度進行劃分見表2。

表2 土壤的酸堿度劃分Table 2 Division of soil pH

2.1.2 土壤粒徑—砂粒百分比根據國際制土壤粒徑分級標準(http://www.cqates.com/cqsoil/gjztrzdfjbz.htm)，本研究所選用的13種土樣，其砂粒百分比保持在22.40%～85.70%之間，范圍廣泛，具有一定代表性，而13種土壤的砂粒百分比平均值約為59.22%。

2.1.3 CEC土壤陽離子交換量是影響土壤緩沖能力高低，也是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據[27]。測定結果的區(qū)間為11.64～34.33，其最大與最小值分別對應S4和S11。

2.1.4 C/N土壤有機質占土壤固相百分之幾[28]，微生物量和一些土壤酶活性與土壤有機碳的含量呈正相關[29]，生物活性越強，抵抗力和恢復力越強。本研究中的13種土樣的C/N保持在8.095～23.000之間，最大值和最小值分別對應S7和S9。

2.1.5 DOC DOC的含量越高，土壤中的有機質含量就越高，因而微生物活性越高，恢復力和抵抗力也越高，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。本實驗所測定的13種土壤樣品的DOC如表3所示，測定范圍為11.78～66.51 mg/L。

2.2 香農指數(shù)

香農指數(shù)包含兩個成分：①種數(shù)；②各種間個體分配的均勻性。香農指數(shù)越高，指示群落多樣性越好，個體分配越均勻，而Cu脅迫能夠改變土壤微生物的種密度和均勻度，從而影響微生物群落結構。本研究中由于土樣S7和S8在測定香農指數(shù)的過程中誤差較大，故選取除此之外的11種農業(yè)土樣作數(shù)據分析。實驗過程為了闡明Cu脅迫對微生物群落的影響，因此將第0 d與第60 d的香農指數(shù)進行對比（見表3），發(fā)現(xiàn)未受污染的農業(yè)土壤加入Cu脅迫后，大多數(shù)土壤樣品的香農指數(shù)降低，表明土壤微生物的種密度和均勻度有所下降，而S13的香農指數(shù)上升幅度較大，但其恢復力及穩(wěn)定性都較弱，不排除該土壤被污染的可能性。另外，S1、S5、S6恢復曲線的波動范圍（見圖3）受Cu脅迫的影響較大，這也支持了研究結論—Cu脅迫可以降低微生物活性和微生物群落多樣性。

表3 不同區(qū)域土樣的第0 d和第60 d的香農指數(shù)Table 3 Shannon Index of soil samples in different locations at the 0 d and 60 d

2.3 土壤微生物抵抗力與恢復力及其功能穩(wěn)定性

為進一步研究不同土壤類型下的微生物抵抗力與恢復力的差異性，我們通過土壤中微生物呼吸量計算得出抵抗力/恢復力f(t)，如圖3所示，在加Cu脅迫的情況下，在土壤S1、S4、S5、S6、S7、S8、S1、S13中f(t)是呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，而S2、S3、S9、S10、S11中f(t)則呈下降趨勢，這說明大部分地區(qū)的土壤在經歷Cu脅迫后能夠自我恢復。而S3、S10、S11是呈完全地遞減趨勢，表明S3、S10、S11三個地區(qū)的土壤恢復力較差，受Cu脅迫后這些區(qū)域中的微生物自我修復能力較差。上述結果表明，不同土壤之間的抵抗力與恢復力存在差異（見表4），其中S1、S10、S13的抵抗力相對較好，S12的抵抗力最差；S1、S6、S8恢復力相對較好，S10的恢復力最差。Griffiths等[19]以Cu脅迫作為模式干擾，無論是污染還是未污染土壤第1 d的抵抗力最低，但是污染土壤的恢復力明顯高于未污染土壤。這說明影響測定土樣恢復力大小的一個因素是無法對所取的不同區(qū)域的土壤進行污染程度的自然統(tǒng)一，若要保持統(tǒng)一性，只能通過人工添加毒性的方法，但這不符合本研究的初始目的。其中圖3的面積（即恢復曲線與橫坐標圍成的面積）表示為土壤的穩(wěn)定性，面積越大，即表示穩(wěn)定性越強，從穩(wěn)定性上進行比較，S1的穩(wěn)定性比較好，加入Cu脅迫前后的影響并不是特別明顯；而S3、S7、S9、S10四種土樣穩(wěn)定性比較差。

表4 不同區(qū)域土壤的抵抗力與恢復力以及穩(wěn)定性Table 4 Resistance and resilience with different types of soil and its stability

圖3 不同區(qū)域土壤的恢復曲線Fig.3 Recovery curves of soil samples in different locations

2.4 基礎理化性質與土壤微生物抵抗力、恢復力的相關性分析

為尋找影響土壤微生物抵抗力、恢復力的關鍵因子，我們對來自全國13種不同類型的土壤選取了5種理化性質，包括pH、砂粒百分比、CEC、C/N、DOC進行測定，數(shù)據結果見表1，并對這些因素與抵抗力、恢復力進行了相關性分析，具體結果見表5和表6。

根據相關性分析結果所示（表5），pH與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性的相關系數(shù)分別為0.422、-0.278、0.039，表明pH與抵抗力有正低度相關性，與恢復力和穩(wěn)定性不相關。對于pH，與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性的相關性分析中，顯著性P分別為0.151、0.357、0.9，設置顯著性P為0.05，說明pH與三者均未通過顯著性檢驗，與其沒有顯著相關性。而Bltton[30]的研究表明，pH值為3.0和3.7的酸性水對土壤微生物活性基本沒任何影響，而在Furthermore等人的報道中也指出除pH值小于2.0的情況外，其他酸性處理的土壤并不降低土壤中酶的活性[32]。這些研究均表達了pH與土壤生物呼吸無直接相關性，與研究結論一致。

砂粒百分比與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性的的相關系數(shù)R分別為0.496、-0.621*、-0.274，表明砂粒百分比與抵抗力低度相關，與恢復力中度相關，與穩(wěn)定性不相關。其中，砂粒百分比與恢復力的相關系數(shù)為-0.621，說明兩者之間的負相關關系，砂粒百分比越高，土壤應對Cu脅迫所體現(xiàn)的恢復力越弱。對于砂粒百分比，其與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性三者的顯著性P值分別為0.085、0.023、0.366，說明砂粒百分比與土壤對Cu脅迫的恢復力滿足顯著相關（P=0.023）。這一結果可以解釋為，由于砂粒通透性好，但缺乏粘粒（無機膠體）和OM（有機質膠體），保水肥能力差、堆放空隙最大，礦質養(yǎng)分含量低[31]，所以砂土通透性好，排水能力強，微生物呼吸快，砂質土有利于好氣性微生物的活動，OM分解快，肥效快[32]，前勁大后勁不足。此外，好氧微生物是在氧氣充足的環(huán)境中才能正常生長的一類微生物，由于這些微生物呼吸作用的最終電子受體是氧，所以缺氧時便停止生長，但通常不死亡，這一特性導致土壤收到Cu脅迫的干擾后，微生物生長速度降低，無法對干擾進行正?？焖俚姆磻屠^續(xù)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的行為，恢復力減弱。

CEC與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性的相關系數(shù)R值分別為0.465、0.165、0.307，表明CEC與其相關關系分別為中度相關、不相關、低度相關。此外，CEC與抵抗力的顯著性也是偏高的（P值為0.109），說明兩者之間的中度正相關關系是較為顯著的。這一結論也是有依據的，不同土壤的陽離子交換量不同，CEC受土壤質地影響，質地越細，其陽離子交換量越高，且另有研究表明，土壤的基礎呼吸與陽離子交換量呈顯著正相關關系[31]。

C/N與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性的相關系數(shù)分別為0.103、-0.022、-0.1，說明C/N與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性均為不相關關系。有研究表明土壤的基礎呼吸與C/N呈負相關關系[31]，據王利利[33]報道，有機質的C/N過高會降低土壤微生物的活性（C/N為20:1時過高）；而C/N較低時，土壤微生物量低，土壤活性差，不利于氮素被微生物同化利用，C/N比越低，加速了土壤原有有機碳的分解，導致土壤有機質含量減少。而胡瑋[34]等人的研究表明C/N為12.5:1的土壤微生物活性較大，過高或過低微生物活性差，土壤抵抗力弱。故本研究數(shù)據分析獲得的C/N和抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性均不相關的結果可以理解為取樣土壤的C/N大部分低于土壤微生物最適宜的C/N所造成。

DOC的濃度與抵抗力和恢復力的相關系數(shù)R（見表6）分別為0.253、-0.060，說明DOC與兩者均不相關，而與穩(wěn)定性的R值為0.364，屬于低度相關。盡管DOC濃度與穩(wěn)定性之間的相關性并不大，也不具有較高的顯著性（P=0.253），但是由于DOC受外界條件影響較大，同時與土壤的質地之間的差別也有很大的關系，所以我們也認為DOC的濃度與土壤的穩(wěn)定性有正相關關系，這主要是因為有研究表明DOC與有機碳總量、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分因子之間呈正相關關系[35]。此外也有研究證實土壤微生物量碳、氮會隨土壤有機質含量的增加而增加，而土壤過氧化氫酶、土壤轉化酶的活性也會隨土壤有機質含量的增加而增加[36]，酶活性的增加有利于促進增強土壤生物活性，土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的上升。

表5 相關性分析（除DOC外）Table 5 Correlation analysis(The exception of DOC)

表6 DOC與土壤抵抗力、恢復力與穩(wěn)定性的相關性Table 6 The correlation between DOC and soil resistance/resilience/stability

2.5 回歸模型構建

由相關性分析證明，砂粒百分比與土壤微生物對Cu脅迫的恢復力呈顯著性負相關。為了能對這組關系進行深入探討，我們將這對關系借助軟件Origin 8.0進行回歸模型的構建，從而實現(xiàn)對其進行量化表征。經過不同線型的回歸模型比對（見表7），結果發(fā)現(xiàn)砂粒百分比與恢復力之間以指數(shù)關系擬合效果最好，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，模型可決系數(shù)R2=0.6468。

表7 砂粒百分比與恢復力的建模Table 7 The model between the sand percentage and soil resilience

為了評估砂粒百分比在整個模型中的相對重要性，我們對參數(shù)進行了敏感性分析。選用13種土壤的砂粒百分比平均值59.22%為初始值，將其進行±20%的數(shù)值波動，而參數(shù)的累積效應將通過恢復力的變化值表示出來。

對于參數(shù)P的敏感系數(shù)S可以計算如式4：

其中并且S(P,P0)表示與參數(shù)P相關的模擬變量S。我們對恢復力的動態(tài)變化對于砂粒百分比的敏感性進行了研究。若對砂粒百分比數(shù)值上下浮動20%，可得到其敏感系數(shù)為0.0026。

3 結論

本研究采集了來自全國13個地區(qū)不同類型的農業(yè)土壤，分別測定了他們的CO2呼吸速率、理化性質（pH、砂粒百分比、CEC、C/N、DOC）以及香農指數(shù)。研究表明，在加Cu脅迫的情況下，香農指數(shù)表明，Cu脅迫能夠減少土壤微生物的種群密度和均勻度，改變微生物群落結構，降低微生物活動，降低生物群落多樣性。此外Cu脅迫使不同土壤類型中微生物抵抗力、恢復力存在先降低后增加的趨勢或者呈完全下降的趨勢（見圖3），表明土壤受到Cu脅迫后總會出現(xiàn)功能穩(wěn)定性下降的現(xiàn)象，但對于自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性好的土壤，會恢復Cu脅迫帶來的毒性危害。理化性質與生物功能穩(wěn)定性的關系通過相關性的回歸分析得到：pH與抵抗力有正低度相關性，與恢復力和穩(wěn)定性不相關；CEC與抵抗力之間的關系為正相關；C/N與抵抗力、恢復力、穩(wěn)定性均為不相關關系；DOC的濃度與抵抗力和恢復力不相關，與穩(wěn)定性的低度相關；砂粒百分比與土壤對Cu脅迫的恢復力呈指數(shù)下降關系，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，模型擬合誤差R2=0.6468，表明砂粒百分比越高，土壤應對Cu脅迫所體現(xiàn)的恢復力越弱。

由于土壤屬性受地域性影響較大，為了所得結論更具代表性和規(guī)律性，還需要收集更多不同地域中的土壤樣品進行分析和論證。另外，目前還有許多比較嶄新的課題尚處于初步的研究階段，對于例如土壤微生物重金屬、有機污染脅迫的根際效應，土壤微生物重金屬、有機污染脅迫的離子效應等問題的研究還需要后續(xù)試驗來驗證。

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Influence Factors of Ecological Function Stability of Soil and Their Correlation

CHEN Xin-yao,CHEN Qiu-jian,LI Min,NIU Xiao-cong,ZHOU Yang,ZHAO Qiao,ZHANG Yuan*
School of Environmental Science and Engineering/Suzhou University of Science and Technology,Suzhou215009,China

The research takes 13 kinds of representative agricultural soil samples from the national scale to measure the respiration rate of CO2and key physic-chemical parameters and analyze Shannon Index so as to describe the interaction between the properties of different soil types with soil stability to exploit the predominant factors that influence the soil resistance/resilience/stability in order to predict soil ability assessment.The results showed that after adding Cu perturbation, the curve of f(t)decreased firstly followed by an increase or completely decreasing,indicating that the soil would be emerging a decline of biological functional stability,but for the soil that have a good ecosystem stability would recover the toxicity caused by Cu perturbation.The relationship between physic-chemical properties and biological functional stability obtained by regression analysis.According to this research,pH have a low correlation with resistance,while irrelevant with the resilience and stability;there is a positive correlation between the CEC and the resistance;C/N and resistance/resilience/ stability were not correlated;the concentration of DOC are uncorrelated with the resistance and resilience,and have a low correlation with stability;the sand percentage had a proportional relationship with the resilience through correlation regression analysis,exponential equation:y=259.42e-0.022x,R2=0.6468.The Shannon Index indicated that the Cu perturbation decreased the soil microorganisms’abundance and equability by changing the microbial community structure and reducing microbial activity and community diversity.

Soil property;soil organism;resistance;resilience

R135.11

:A

:1000-2324(2015)06-0838-9

2015-03-17

:2015-04-13

江蘇省環(huán)境科學與工程重點專業(yè)類建設項目資助:土壤功能抵抗力與恢復力建模及影響因素敏感性分析(13KJB610014);環(huán)境中重金屬鉛污染的兒童健康風險評價(Zd131201)

陳欣瑤(1995-),女,本科.E-mail:18896584296@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:yuanzhang_1001@mail.usts.edu.cn