鋁鎘污染對磚紅壤微生物碳氮磷的影響

黃冬芬 郇恒福 劉國道 白昌軍

摘? 要? 通過土培試驗(yàn)，研究鋁、鎘對磚紅壤土壤微生物碳氮磷的影響。結(jié)果表明：鋁處理對土壤微生物量碳（SMC）影響變化幅度較大。不同濃度鋁處理降低土壤微生物氮（SMN），隨處理濃度的增加，抑制程度增強(qiáng)，SMN相應(yīng)降低14.28%～46.63%;而鋁處理對土壤微生物磷（SMP）有顯著促進(jìn)作用。2～50 mg/kg鎘處理對SMC無顯著影響， 5～15 mg/kg鎘處理顯著提高SMN 含量20.40%～37.55%，但隨著處理濃度增加到20～100 mg/kg，SMN降低21.63%～54.69%。15～20 mg/kg鎘對SMP有顯著促進(jìn)作用。1 000～2 000 mg/kg鋁處理顯著提高水溶性有機(jī)碳（WSOC）含量，土壤水溶性氮（WSN）含量也隨鋁處理濃度增加顯著提高。鎘對WSOC無顯著影響，而20～100 mg/kg鎘處理提高WSN含量。與單一鋁或鎘處理不同，鋁鎘復(fù)合處理顯著降低SMC，降低幅度為25.10%～47.75%。WSOC和WSN含量隨鋁鎘復(fù)合處理濃度增加顯著增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，SMN和WSN對鋁響應(yīng)敏感，鎘處理對SMC和WSOC無顯著影響。

關(guān)鍵詞? 鋁 ;鎘 ;微生物 ;碳 ;氮 ;磷

中圖分類號? S154? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A? ? Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.11.008

Effect of Aluminum and Cadmium Pollution on the Carbon，

Nitrogen and Phosphorus of Microorganism in the Latosol Soil

HUANG Dongfen? HUAN Hengfu? LIU Guodao? BAI changjun

（Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences /Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement in Southern China， Ministry of Agriculture， P. R. China & Key Laboratory of Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources， Ministry of Agriculture，P. R. China， Danzhou， Hainan 571737）

Abstract? The effect of aluminum（Al） and cadmium（Cd） pollution on soil microbial biomass carbon （SMC）， soil microbial biomass nitrogen （SMN） and soil microbial biomass phosphorous （SMP） in the latosol soil was analyzed by soil culture experiment. The results indicated that aluminum treatment had huge influence on the SMC. The inhibition effect of SMN was huge with an increase in concentration of aluminum treatment. SMN was decreased significantly by 14.28%～46.63%. Aluminum treatment had positive effect on the SMP. Cadmium treatment at a concentration of 2～50 mg/kg had no effect on the SMC. SMN was increased by 20.40%～37.55% when the soil was treated with cadmium at 5～15mg/kg. When the soil was treated with cadmium at a concentration of up to 20～100 mg/kg， SMN decreased by 21.63%～54.69%. There was positive effect of 15～20 mg/kg cadmium treatment on the SMP. The 1 000～2 000 mg/kg aluminum treatment could increased the content of WSOC， and the content of WSN was increased with the increase of aluminum treatment concentration. Cadmium had no effect on the WSOC， and the 20～100 mg/kg cadmium treatment increased the content of WSN. The aluminum and cadmium treatment decreased SMC by 25.10%～47.75%. The content of WSOC and WSN increased with the increase of aluminum and cadmium treatment concentrations. The results indicated that SMC and WSN were sensitive to Al treatment， while SMC and WSOC were not affected significantly by Cd .

Keywords? aluminum ; cadmium ; microorganism; carbon ; nitrogen ; phosphorous

土壤微生物參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的各個(gè)過程。土壤微生物量反映了土壤同化和礦化能力，是土壤活性大小的標(biāo)志。土壤微生物較植物對環(huán)境脅迫更敏感。南方紅壤pH處于4.5～6.0，酸性土壤面積約2.0×104 km2。近年來，南方紅壤的酸化狀況有加重現(xiàn)象[1]。土壤發(fā)生酸化會(huì)導(dǎo)致鋁毒的產(chǎn)生。鋁通常以難溶性鋁硅酸鹽或氧化鋁形式存在土壤中，當(dāng)土壤pH低于5.0時(shí)，難溶性鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q性鋁[Al3+、Al（OH）2+和Al（OH）2+]，呈指數(shù)上升，活性鋁增加導(dǎo)致鋁毒的產(chǎn)生。土壤酸化會(huì)影響土壤微生物活動(dòng)，從而影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解及土壤養(yǎng)分循環(huán)。隨著工業(yè)化程度的加快，農(nóng)用化學(xué)品的大量使用，城市污水廢棄物的超量排放，加劇土壤重金屬的污染。由于重金屬污染具有隱蔽性和滯后性，因此，從產(chǎn)生污染到出現(xiàn)問題，往往需要很長時(shí)間。土壤重金屬污染往往是多源污染，在土壤酸化條件下，鋁毒的產(chǎn)生及重金屬有效態(tài)含量的升高，加劇對土壤微生物的危害。目前，對于重金屬影響土壤微生物的研究報(bào)道較植物相對較少[2-4]。關(guān)于模擬水培條件下鋁對植物毒害大量文獻(xiàn)報(bào)道[5-7]，而在土壤復(fù)雜環(huán)境下鋁毒對土壤微生物影響報(bào)道相對較少[8-9]。筆者就模擬土培條件下，鋁鎘復(fù)合處理對土壤微生物學(xué)效應(yīng)隨處理濃度的動(dòng)態(tài)變化，旨在探討鋁鎘復(fù)合處理與單一處理對土壤微生物的影響比較，從而為土壤鋁鎘污染對土壤微生物的影響及酸性土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

選取成土母質(zhì)花崗巖風(fēng)化物的土壤作為試驗(yàn)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（19°51′ N，109°50′ E）陰涼處風(fēng)干后，過20目的篩孔，稱5 kg的土裝在塑料盆中。供試土壤為磚紅壤，土壤pH 5.37，交換性鋁含量137.31 mg/kg，堿解氮含量101.34 mg/kg，有效態(tài)鎘含量0.03 mg/kg，有效磷含量1.71 mg/kg，速效鉀含量68.00 mg/kg。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中制定一級標(biāo)準(zhǔn)，土壤背景值0.2 mg/kg，二級標(biāo)準(zhǔn)為0.3 mg/kg（酸性和中性土壤），三級標(biāo)準(zhǔn)為1.0 mg/kg[9]。本試驗(yàn)選用的空白土壤全鎘含量為0.05～0.075 mg/kg，因此，空白土壤未被污染。本試驗(yàn)添加外源鎘的最低濃度2 mg/kg均達(dá)到嚴(yán)重污染標(biāo)準(zhǔn)。鋁鎘處理濃度見表2，鋁和鎘處理均設(shè)7個(gè)濃度，將不加鋁和鎘作為對照（CK），每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，按表2處理濃度向盆缽?fù)良尤隒dCl2·2.5H2O和AlCl3·6H2O，加入自來水，使土壤保持最大含水量，培養(yǎng)1 a，取新鮮土，過1 mm篩，用于測定土壤微生物量碳氮磷。

1.2.2? 測定方法

1.2.2.1? 微生物CNP的分析

參照林先貴主編的《土壤微生物研究原理與方法》[10]，微生物N測定用氯仿熏蒸、0.5 M K2SO4 在1∶2.5 土水比提取，并經(jīng)催化劑-合金氮-硫酸消煮后經(jīng)凱氏定氮儀測定熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)氮。微生物碳測定用氯仿熏蒸、0.5 M K2SO4 在1∶2.5 土水比提取，用TOC500測定熏蒸與未熏蒸提取液有機(jī)碳含量;微生物磷測定用氯仿熏蒸、0.5 mol/L NaHCO3 在1∶20 土水比提取測定無機(jī)磷（Pi）。

1.2.2.2? 土壤水溶性有機(jī)碳氮的測定

用蒸餾水浸提新鮮土壤，水土比（2∶1）提取，上清液過0.45 μm濾膜，用德國耶拿Multi N/C 3100碳氮分析儀測定提取液碳氮含量，即水溶性有機(jī)碳和水溶性氮。

1.2.3? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel進(jìn)行整理，用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 鋁鎘對土壤微生物量碳（SMC）影響

鋁鎘處理對土壤微生物量碳SMC影響見圖1。在50、500～2 000 mg/kg鋁濃度處理下，SMC顯著下降;在100 mg/kg 鎘濃度處理下，SMC顯著下降;鋁鎘同時(shí)添加時(shí)，均顯著降低SMC含量。試驗(yàn)結(jié)果說明，鋁鎘達(dá)到一定濃度時(shí)均對SMC顯著抑制。

2.2? 鋁鎘對土壤微生物量氮（SMN）影響

鋁鎘對土壤微生物量氮（SMN）的影響見圖2。通過多重比較分析，添加鋁處理均顯著降低SMN。在5～15 mg/kg鎘濃度處理?xiàng)l件下顯著促進(jìn)SMN，在20、50、100 mg/kg鎘濃度處理下，SMN顯著下降。鋁鎘同時(shí)添加情況下，低濃度處理提高SMN，當(dāng)鋁提高到200 mg/kg和鎘提高10 mg/kg以上，顯著降低SMN。試驗(yàn)結(jié)果說明，鋁對SMN顯著抑制。

2.3? 鋁鎘對土壤微生物量磷（SMP）影響

土壤微生物量磷（SMP）指土壤中所有活體微生物中所含有的磷，主要成分是核酸、磷脂等易礦化有機(jī)磷及一部分無機(jī)磷。它在土壤中的含量很小，但是由于SMP周轉(zhuǎn)速度快， 是植物有效磷的重要來源。土壤添加鋁后，在50和100 mg/kg低濃度處理下，SMP無顯著差異，將鋁濃度提高到200～2 000 mg/kg，SMP顯著增加;在2～10 mg/kg鎘濃度處理下，SMP無顯著差異，在15和20 mg/kg的鎘濃度處理?xiàng)l件下，SMP含量顯著增加，而在50和100 mg/kg的鎘濃度處理?xiàng)l件下，SMP含量無顯著差異。鋁鎘處理濃度分別為500和15 mg/kg 時(shí)，SMP含量顯著增加。

2.4? 鋁鎘對土壤水溶性有機(jī)碳WSOC影響

土壤水溶性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳的很少部分，通常含量低于200 mg/kg，但它是微生物能直接利用的有機(jī)碳源。從圖4可以看出，對照土的WSOC含量37 mg/kg，說明供試土的WSOC含量非常低。在低濃度鋁處理下，對WSOC不受影響，即在50～500 mg/kg處理，對水溶性有機(jī)碳無顯著影響，在1 000到2 000 mg/kg處理時(shí)，水溶性有機(jī)碳含量顯著增加，即WSOC增加31.46%～52.19%。鎘對WSOC幾乎沒有影響，除15 mg/kg處理。鋁鎘同時(shí)添加對水溶性有機(jī)碳的影響，在鎘濃度2～10 mg/kg及鋁濃度50～200 mg/kg處理下，對WSOC含量的影響無顯著差異，在鎘濃度15～100 mg/kg及鋁濃度500～2 000 mg/kg處理下，顯著促進(jìn)WSOC增加。鋁鎘同時(shí)添加對WSOC的影響與單一鋁作用趨勢一致。

2.5? 鋁鎘對土壤水溶性氮（WSN）影響

鋁鎘對土壤水溶性氮WSN的影響見圖5。土壤添加鋁后，除50 mg/kg處理，鋁處理濃度在100～2 000 mg/kg，土壤水溶性氮顯著增加，且隨處理濃度增加而增加，水溶性氮含量增加幅度為61.09%～2.7倍。鎘脅迫在2～15 mg/kg，水溶性氮含量無顯著差異。鎘濃度提高到20～100 mg/kg，水溶性氮含量顯著提高。鋁鎘同時(shí)加入后，隨著處理濃度增加，水溶性氮含量顯著提高。

3? 討論與結(jié)論

前期研究表明，鋁對土壤微生物有強(qiáng)烈的抑制[11]。一方面導(dǎo)致微生物固持碳量隨之減少;另一方面由于鋁作用下土壤CO2呼吸減弱，土壤有機(jī)碳以CO2形式向大氣釋放減少[11-13]，導(dǎo)致WSOC含量隨之增加。土壤微生物磷只占1%～5%，但對土壤磷素的轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要作用[14]。據(jù)研究報(bào)道，紅壤旱地真菌主要參與土壤磷素固持過程[15]。真菌在鋁濃度1 000～2 000 mg/kg的情況下被抑制[11]。單一鋁處理或鋁鎘復(fù)合處理在處理濃度比較高的情況下，SMP含量顯著增加現(xiàn)象，磷酸酶活性反映土壤有效磷含量的豐缺，在該處理下，磷酸酶活性下降顯著[16]。說明土壤有效磷含量增加，土壤微生物可利用的磷含量增加，導(dǎo)致磷被微生物固持隨之增加，而鎘對磷酸酶活性影響小，因此，SMP變化很小。有研究表明，熱帶酸性土壤對硝態(tài)氮的反硝化能力弱，以銨態(tài)氮為主，硝態(tài)氮含量低[17-18]。酸性土壤環(huán)境避免了銨態(tài)氮的揮發(fā)損失， Ayanaba等[19]研究認(rèn)為，強(qiáng)酸土壤環(huán)境能使微生物活性減弱，降低其分解、轉(zhuǎn)移土壤有機(jī)碳的能力，有利于WSOC含量的增加。由于pH降低，導(dǎo)致土壤溶液中Al和Fe與有機(jī)碳的結(jié)合更加牢固，從而穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫[20-21]。土壤酸化促進(jìn)土壤氮的富集，也提高土壤碳的有效性[22]。因此，在本試驗(yàn)條件下，隨著鋁處理濃度增加，土壤酸度增加，土壤水溶性氮和土壤水溶性有機(jī)碳的含量也隨著增加。土壤過氧化氫酶和脫氫酶參與土壤碳循環(huán)，鋁鎘復(fù)合處理下，這2種酶活性比單一鋁或單一鎘處理下酶活性低[16]。因此，鋁鎘復(fù)合處理下SMC比單一鋁鎘處理低。

綜上所述，鋁處理對土壤微生物量的影響具體為：降低土壤微生物氮含量，而提高土壤微生物磷含量，對土壤微生物碳的影響相對復(fù)雜，20～100 mg/kg鎘處理降低土壤微生物氮含量;鋁鎘提高土壤水溶性氮含量，且隨處理濃度增加而增加。鋁鎘復(fù)合處理比單一鋁鎘對土壤微生物碳或水溶性有機(jī)碳的影響大。

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