鋁和鎘污染對磚紅壤土壤微生物及土壤呼吸的影響

王松林等

摘 要 通過室內(nèi)模擬土壤盆栽試驗，研究鋁、鎘對磚紅壤土壤微生物及土壤呼吸的影響。結(jié)果表明：鋁和鎘對土壤生化過程有不同的效應(yīng)。鋁濃度≤100 mg/kg和≤50 mg/kg分別對細菌和放線菌有一定促進作用，高濃度則產(chǎn)生抑制作用，土壤真菌數(shù)量隨土壤鋁濃度的增加而逐漸減少。而鎘對土壤微生物及土壤呼吸作用的影響比鋁小。鎘對細菌生長影響波動幅度大，鎘濃度在5～100 mg/kg時，對真菌生長有促進作用，而抑制放線菌的生長。鋁對土壤呼吸作用抑制效果隨鋁處理濃度增加而增加，而不同鎘處理濃度對土壤呼吸作用影響較鋁的作用小。鋁鎘復(fù)合污染對土壤細菌和真菌的影響表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，對土壤放線菌的影響表現(xiàn)出拮抗效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 鋁；鎘；土壤呼吸；土壤微生物

中圖分類號 S154.3 文獻標識碼 A

Abstract A pot experiment was conducted to study the impacts of aluminum（Al）and cadmium（Cd）pollution on the soil microbes and soil respiration. The results indicated that the pollution effects of Al and Cd on the biochemistry processes were different， The lower concentration of Al， ≤100 mg/kg and ≤50 mg/kg could promote the growth of bacteria and actinomycete， but the higher concentrations of Al could reducd bacteria and actinomycetes number. The number of fungi was gradually reducing with the increasing of the concentration of Al. While， the influence degree of Cd on the soil microbe and soil respiration was weaker than that of Al. The influence of Cd on bacteria fluctuated very much， and the Cd under the concentration of 5-100 mg/kg promoted the fungi growth， and inhibited the growth of the actinomycetes. The Al inhibition on the soil respiration was according to the concentration of Al. However， the influence of Cd on soil respiration was less than that of Al. Synergistic effect on the population of bacteria and fungi under the compound pollution of Al and Cd， and antagonistic effect on the population of actinomycete.

Key words Aluminum； Cadmium； Soil respiration； Soil microbe

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.026

鋁（Al）是地殼中最豐富的元素之一，土壤鋁主要以鋁硅酸鹽礦物和氧化物等形態(tài)存在，對植物和環(huán)境影響很小。當(dāng)土壤發(fā)生酸化時，土壤中的活性鋁增加，導(dǎo)致鋁毒的產(chǎn)生。鋁毒不僅限制作物生長[1-2]，而且對微生物和動物產(chǎn)生毒害作用[3-4]。酸雨加速土壤固相鋁溶解，在酸雨頻發(fā)的地區(qū)、北歐和北美灰化地區(qū)，湖泊和河流發(fā)生嚴重酸化，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害[5-7]。從20世紀80年代到現(xiàn)在，我國土壤酸化越來越嚴重，尤其發(fā)生在南方酸性土壤，土壤酸化面積占我國耕地面積的40%以上[8]。

土壤微生物較植物對環(huán)境脅迫更敏感。有研究報道土壤酸化與土壤微生物參數(shù)的關(guān)系[9]；重金屬污染對土壤微生物結(jié)構(gòu)有一定影響[10-11]。土壤呼吸作用是全球碳循環(huán)中重要的流通途徑，土壤碳以CO2流向大氣圈，對溫室氣體排放產(chǎn)生重要影響。有研究結(jié)果表明，酸雨降低闊葉林土壤呼吸強度[12]。重金屬對土壤呼吸也有一定影響[13]。

鋁與鎘是危害性較強的污染物，尤其發(fā)生在南方酸性土壤環(huán)境中，以往常常將兩者分開研究[3-4，14-15]，鋁與重金屬（Zn、Cu、Pb）復(fù)合污染及鎘與其它污染物（Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、芘）復(fù)合污染對土壤微生物的影響已有報道[16-17]，鋁鎘復(fù)合污染對大麥、大豆生理的影響也有報道[18-20]，而對土壤微生物的影響還未見報道。筆者就鋁鎘復(fù)合處理對土壤微生物及土壤呼吸的影響隨處理濃度的變化動態(tài)，旨在探討鋁鎘復(fù)合污染與單一污染對土壤微生物與土壤呼吸的影響比較，從而為土壤鋁鎘復(fù)合污染對土壤微生物的影響及土壤環(huán)境質(zhì)量評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取海南典型的磚紅壤作為試驗土壤，在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所牧草基地曬場陰涼處風(fēng)干后，過20目的篩孔，稱5 kg的土裝進塑料盆。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 鋁鎘處理濃度見表2，鋁和鎘處理均設(shè)7個濃度，鋁處理濃度分別為50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 mg/kg；鎘處理濃度分別為2、5、10、15、20、50、100 mg/kg，鎘濃度范圍包含輕度污染，中度污染及重度污染，鋁鎘復(fù)合處理濃度為Cd2+Al50、Cd5+Al100、Cd10+Al200、Cd15+Al500、Cd20+Al1000、Cd50+Al1500、Cd100+Al2000 mg/kg，以不加鋁和鎘為對照，每個處理均設(shè)3次重復(fù)，按表1處理濃度向盆缽?fù)林屑尤隒dCl2·2.5H2O和AlCl3·6H2O，加入自來水，使土壤保持最大含水量，培養(yǎng)2個月后，取新鮮土，過1 mm篩，用于測定土壤微生物數(shù)量。

1.2.2 測定方法 土壤微生物數(shù)量分析：參照土壤微生物研究方法[21]，將被檢樣品制成幾個不同的10倍遞增稀釋液，然后從每個稀釋液中分別取出1 mL置于滅菌平皿中與不同培養(yǎng)基混合，在一定溫度下，培養(yǎng)特定時間后，記錄每個平皿中形成的生物群落數(shù)量，依據(jù)稀釋倍數(shù)，計算出每克原始樣品中所含生物群落總數(shù)。計算公式：

每克干土中菌數(shù)=（菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)）/干土。土壤含水量測定參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[22]；

細菌培養(yǎng)選用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，37 ℃培養(yǎng)2～3 d；真菌培養(yǎng)選用馬丁氏（Martin）培養(yǎng)基，35 ℃培養(yǎng)3～5 d；放線菌培養(yǎng)選用改良高氏1號培養(yǎng)基，30 ℃培養(yǎng)5～7 d。

土壤CO2呼吸測定：測定方法參照魯如坤主編的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[15]。采用田間原位測定法，本試驗采用1 mol/L NaOH標準溶液，直接吸收土壤產(chǎn)生的CO2，然后測定剩余的吸收劑，以確定CO2釋放量。每個處理重復(fù)3次。

1.3 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excell進行整理，用SPSS 13.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁鎘對土壤微生物數(shù)量的影響

由表3可以看出，鋁對土壤細菌數(shù)量的影響為：鋁濃度在50～100 mg/kg時，促進細菌數(shù)量的增加，鋁濃度在200～1 000 mg/kg和2 000 mg/kg時候，抑制細菌生長，抑菌率分別為38.2、3.1、78.0、83.6。鎘處理對土壤細菌數(shù)量的影響表現(xiàn)為：鎘濃度低于5 mg/kg時，促進細菌數(shù)量的增加，抑菌率分別為-119.5和-170.7，繼續(xù)提高鎘的處理濃度則抑制細菌的生長，但高濃度鎘（20 mg/kg和100 mg/kg）處理后，細菌數(shù)量增加，這可能由于某些細菌出現(xiàn)耐鎘現(xiàn)象，這部分細菌數(shù)量在培養(yǎng)過程不斷增加。除了Cd15Al500處理，鋁鎘復(fù)合處理對土壤細菌的生長有不同程度抑制，抑制率平均達88%。

鋁對土壤真菌數(shù)量的影響為：鋁濃度在50～2 000 mg/kg時顯著抑制真菌的生長，其中在50～500 mg/kg時，每克干土的真菌數(shù)目平均僅為100個，而在1 000～2 000 mg/kg時，真菌完全不能生長。而鋁鎘復(fù)合處理對真菌生長的影響為：只有鋁濃度為50 mg/kg和鎘濃度為2 mg/kg時，對土壤真菌的生長有明顯促進作用，當(dāng)鋁濃度增加到100 mg/kg及更高濃度時，強烈抑制真菌的生長，抑制率達到99%。鎘對土壤真菌的生長有顯著促進作用，尤其是在2～20 mg/kg時，土壤真菌數(shù)量平均為對照的200倍。

從鋁對放線菌生長的影響來看，50 mg/kg的鋁促進放線菌的生長，鋁濃度在100～1 000 mg/kg時，放線菌幾乎不能生長，但鋁濃度提高到2 000 mg/kg時，部分細菌能夠生長。鎘處理抑制放線菌的生長。低濃度鋁鎘復(fù)合處理促進放線菌的生長，但隨著鋁鎘處理濃度的增加，放線菌幾乎不能生長。試驗研究結(jié)果表明，鋁對土壤細菌、放線菌和真菌的影響均大于鎘。細菌對鋁和鎘的耐受能力大于真菌和放線菌；根據(jù)復(fù)合污染抑制率的實測值與理論值（單一污染抑制率的總和）比較可以看出，鋁鎘復(fù)合處理對細菌數(shù)量的影響除了Al200Cd10和Al500Cd15出現(xiàn)拮抗作用外，其余均出現(xiàn)協(xié)同抑制作用。鋁鎘復(fù)合處理對真菌數(shù)量的影響表出協(xié)同抑制作用，而鋁鎘復(fù)合處理對放線菌生長的影響表現(xiàn)出拮抗效應(yīng)。

2.2 鋁鎘對土壤呼吸的影響

土壤呼吸來源于生物學(xué)與非生物學(xué)過程，生物學(xué)過程包括土壤微生物的呼吸、植物根系的呼吸和原生動物的呼吸，非生物學(xué)過程指碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用。土壤微生物的呼吸占主要部分。土壤呼吸被利用作為土壤微生物總的活性指標或作為評價土壤肥力的指標。由圖1可以看出，鋁處理對土壤CO2釋放量的影響表現(xiàn)為隨鋁處理濃度增加逐漸下降，鋁處理濃度為50 mg/kg和100 mg/kg時，土壤CO2呼吸速率下降，但在濃度為200 mg/kg和1 500 mg/kg處理條件下，CO2釋放量發(fā)生波動，隨著處理濃度持續(xù)增加，CO2釋放量迅速下降。鎘對土壤CO2釋放量并沒有受鎘濃度增加的影響，呈水平線。

鋁鎘復(fù)合處理對土壤CO2釋放量的影響與鋁處理相似，但鋁鎘復(fù)合處理對土壤CO2釋放量抑制作用均大于單一鋁或鎘處理，除了低濃度鎘（2.0 mg/kg）或低濃度鋁（100 mg/kg）。試驗研究結(jié)果表明，鋁抑制土壤呼吸，而鎘對土壤呼吸影響很小。

2.3 鋁鎘對土壤pH的影響

土壤酸堿度對土壤養(yǎng)分形態(tài)和有效性，對土壤的理化性質(zhì)、微生物活動以及植物生長發(fā)育有很大影響。土壤酸堿度對土壤微生物活動有很大的影響。從圖2可以看出，往土壤中添加氯化鎘后，土壤pH的變化非常小，平均變化3.8%。而添加氯化鋁后，土壤pH的變化非常明顯，且隨鋁添加量的增加，土壤pH呈逐漸下降趨勢，pH從5.37降到3.21。鋁和鎘同時添加時，土壤pH變化趨勢與單一鋁趨勢一致。

2.4 相關(guān)分析

通過相關(guān)分析（表4），土壤pH與土壤微生物數(shù)量相關(guān)性均達到顯著水平，而且均呈正相關(guān)，其中，與細菌和真菌的相關(guān)性達顯著水平，與放線菌的相關(guān)性達極顯著水平；土壤pH與土壤CO2釋放量的相關(guān)性達極顯著負相關(guān)（-0.914**）。鋁與土壤微生物數(shù)量相關(guān)性分析，鋁與細菌、真菌、放線菌呈負相關(guān)，與土壤CO2釋放量呈極顯著負相關(guān)（-0.857**）。鎘與細菌呈正相關(guān)，與真菌的相關(guān)性很小，與放線菌和土壤CO2釋放量呈負相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

土壤pH對土壤微生物數(shù)量影響比較大。大多數(shù)細菌的最適的pH為6.5～7.5，放線菌一般在微堿性即pH為7.5～8.0最適合，而真菌生長的最適pH為中性或略酸性。本研究結(jié)果通過相關(guān)分析，土壤pH與土壤細菌、真菌呈顯著正相關(guān)，與放線菌呈極顯著正相關(guān)，但與土壤CO2呼吸釋放量呈極顯著負相關(guān)。據(jù)Rousk等[23]研究結(jié)果，pH從8.3降到4.5時，細菌生長量降低4/5，而真菌生長量增加5倍，pH低于4.5時，基礎(chǔ)呼吸下降。鋁降低土壤pH的原理為：在強酸性礦質(zhì)土壤中，交換性鋁主要以Al3+的形式存在，鋁離子發(fā)生水解反應(yīng)，一個鋁離子水解后產(chǎn)生3個H+而顯酸性。單一鋁處理濃度在50 mg/kg 時，促進放線菌的生長，鋁濃度在100～1 000 mg/kg范圍時，放線菌抑制率約為100%，而繼續(xù)增加鋁處理濃度，少量放線菌能夠生長。說明大部分放線菌對鋁比較敏感，只有少部分噬酸噬鋁放線菌能夠在極端環(huán)境下富集生長。真菌對鋁毒的響應(yīng)比較敏感，50 mg/kg的鋁處理幾乎能抑制可培養(yǎng)真菌90%以上生長。而細菌較真菌及放線菌耐鋁毒，鋁濃度提高到1 000 mg/kg以上時，細菌抑制率達到78%以上。羅虹等[24]研究結(jié)果表明鋁對土壤微生物區(qū)系有抑制作用的臨界質(zhì)量分數(shù)為1 300 mg/kg以上。

鋁鎘復(fù)合污染對微生物的影響與單一鋁處理較為相似。鋁鎘復(fù)合污染對土壤細菌和真菌的影響表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，對放線菌的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。這可能跟不同微生物對土壤pH敏感程度不同有關(guān)，細菌和真菌較放線菌更適于酸性環(huán)境生長。鋁鎘復(fù)合處理對土壤pH和土壤CO2呼吸量的影響也與單一鋁的影響相似，因此，鋁鎘復(fù)合處理中對土壤微生物的影響由鋁起主要作用。

鎘處理濃度在5 mg/kg時，細菌和真菌的數(shù)量增加，而放線數(shù)量明顯降低。其研究結(jié)果與陸文龍等[25]的研究結(jié)果存在差異，而后者鎘濃度≥0.5 mg/kg，均能抑制土壤微生物的生長。據(jù)最新研究報道，土壤粘度對土壤微生物耐鎘能力影響較大[15]，二者出現(xiàn)差異的原因可能是黑鈣土與磚紅壤的土壤粘度不同。由于鎘促進真菌數(shù)量的增長，抑制放線菌的生長，因此，鎘對微生物的影響順序為：放線菌>細菌>真菌。Liu等[26]研究河北中壤草甸褐土微生物對鎘響應(yīng)順序為：細菌>放線菌>真菌。本研究結(jié)果與Liu等[26]的研究結(jié)果存在差異，可能與土壤pH不同有關(guān)，草甸褐土的pH為7.91～8.03，而磚紅壤土壤pH為5.37。據(jù)報道，pH影響土壤重金屬有效性，土壤pH小于5.5時，交換態(tài)鎘含量增加，而隨pH升高，難溶性碳酸鎘的比例增加[27]。鎘對土壤CO2釋放量的影響較鋁小，而陸文龍等[25]的研究結(jié)果反映出鎘處理濃度與土壤呼吸作用有很好線性關(guān)系。存在差異的原因可能在于本研究是原位測定法，很難控制土壤含水量，而后者采用室內(nèi)培養(yǎng)法，較好控制土壤含水量。土壤水分、溫度等因素均對土壤呼吸作用有重要的影響。

綜上所述，低濃度鋁（50 mg/kg）促進細菌和放線菌數(shù)量的增加，單一鋁對土壤微生物數(shù)量的抑制大小順序為：真菌>放線菌>細菌。土壤施加鎘均抑制放線菌生長，單一鎘對土壤微生物數(shù)量的抑制大小順序為：放線菌>細菌>真菌；鋁鎘復(fù)合污染對土壤細菌和真菌的影響均表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，對土壤放線菌的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。土壤pH隨外源鋁濃度增加而降低，鋁對土壤CO2呼吸抑制作用較鎘的作用強。

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