铝镉污染对砖红壤微生物碳氮磷的影响

黄冬芬 郇恒福 刘国道 白昌军

摘  要  通過土培试验，研究铝、镉对砖红壤土壤微生物碳氮磷的影响。结果表明：铝处理对土壤微生物量碳（SMC）影响变化幅度较大。不同浓度铝处理降低土壤微生物氮（SMN），随处理浓度的增加，抑制程度增强，SMN相应降低14.28%～46.63%;而铝处理对土壤微生物磷（SMP）有显著促进作用。2～50 mg/kg镉处理对SMC无显著影响， 5～15 mg/kg镉处理显著提高SMN 含量20.40%～37.55%，但随着处理浓度增加到20～100 mg/kg，SMN降低21.63%～54.69%。15～20 mg/kg镉对SMP有显著促进作用。1 000～2 000 mg/kg铝处理显著提高水溶性有机碳（WSOC）含量，土壤水溶性氮（WSN）含量也随铝处理浓度增加显著提高。镉对WSOC无显著影响，而20～100 mg/kg镉处理提高WSN含量。与单一铝或镉处理不同，铝镉复合处理显著降低SMC，降低幅度为25.10%～47.75%。WSOC和WSN含量随铝镉复合处理浓度增加显著增加。试验结果表明，SMN和WSN对铝响应敏感，镉处理对SMC和WSOC无显著影响。

关键词  铝 ;镉 ;微生物 ;碳 ;氮 ;磷

中图分类号  S154    文献标识码  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

土壤微生物参与土壤有机质的分解、腐殖质的形成、土壤养分转化和循环的各个过程。土壤微生物量反映了土壤同化和矿化能力，是土壤活性大小的标志。土壤微生物较植物对环境胁迫更敏感。南方红壤pH处于4.5～6.0，酸性土壤面积约2.0×104 km2。近年来，南方红壤的酸化状况有加重现象[1]。土壤发生酸化会导致铝毒的产生。铝通常以难溶性铝硅酸盐或氧化铝形式存在土壤中，当土壤pH低于5.0时，难溶性铝转变为交换性铝[Al3+、Al（OH）2+和Al（OH）2+]，呈指数上升，活性铝增加导致铝毒的产生。土壤酸化会影响土壤微生物活动，从而影响土壤有机质的分解及土壤养分循环。随着工业化程度的加快，农用化学品的大量使用，城市污水废弃物的超量排放，加剧土壤重金属的污染。由于重金属污染具有隐蔽性和滞后性，因此，从产生污染到出现问题，往往需要很长时间。土壤重金属污染往往是多源污染，在土壤酸化条件下，铝毒的产生及重金属有效态含量的升高，加剧对土壤微生物的危害。目前，对于重金属影响土壤微生物的研究报道较植物相对较少[2-4]。关于模拟水培条件下铝对植物毒害大量文献报道[5-7]，而在土壤复杂环境下铝毒对土壤微生物影响报道相对较少[8-9]。笔者就模拟土培条件下，铝镉复合处理对土壤微生物学效应随处理浓度的动态变化，旨在探讨铝镉复合处理与单一处理对土壤微生物的影响比较，从而为土壤铝镉污染对土壤微生物的影响及酸性土壤环境质量评价提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  材料

选取成土母质花岗岩风化物的土壤作为试验土壤，在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草基地晒场（19°51′ N，109°50′ E）阴凉处风干后，过20目的筛孔，称5 kg的土装在塑料盆中。供试土壤为砖红壤，土壤pH 5.37，交换性铝含量137.31 mg/kg，碱解氮含量101.34 mg/kg，有效态镉含量0.03 mg/kg，有效磷含量1.71 mg/kg，速效钾含量68.00 mg/kg。

1.2  方法

1.2.1  试验设计

根据《土壤环境质量标准》中制定一级标准，土壤背景值0.2 mg/kg，二级标准为0.3 mg/kg（酸性和中性土壤），三级标准为1.0 mg/kg[9]。本试验选用的空白土壤全镉含量为0.05～0.075 mg/kg，因此，空白土壤未被污染。本试验添加外源镉的最低浓度2 mg/kg均达到严重污染标准。铝镉处理浓度见表2，铝和镉处理均设7个浓度，将不加铝和镉作为对照（CK），每个处理均设3个重复，按表2处理浓度向盆钵土加入CdCl2·2.5H2O和AlCl3·6H2O，加入自来水，使土壤保持最大含水量，培养1 a，取新鲜土，过1 mm筛，用于测定土壤微生物量碳氮磷。

1.2.2  测定方法

1.2.2.1  微生物CNP的分析

参照林先贵主编的《土壤微生物研究原理与方法》[10]，微生物N测定用氯仿熏蒸、0.5 M K2SO4 在1∶2.5 土水比提取，并经催化剂-合金氮-硫酸消煮后经凯氏定氮仪测定熏蒸与未熏蒸土壤有机氮。微生物碳测定用氯仿熏蒸、0.5 M K2SO4 在1∶2.5 土水比提取，用TOC500测定熏蒸与未熏蒸提取液有机碳含量;微生物磷测定用氯仿熏蒸、0.5 mol/L NaHCO3 在1∶20 土水比提取测定无机磷（Pi）。

1.2.2.2  土壤水溶性有机碳氮的测定

用蒸馏水浸提新鲜土壤，水土比（2∶1）提取，上清液过0.45 μm滤膜，用德国耶拿Multi N/C 3100碳氮分析仪测定提取液碳氮含量，即水溶性有机碳和水溶性氮。

1.2.3  数据统计与分析

试验数据用Microsoft Excel进行整理，用SAS软件进行统计分析。

2  结果与分析

2.1  铝镉对土壤微生物量碳（SMC）影响

铝镉处理对土壤微生物量碳SMC影响见图1。在50、500～2 000 mg/kg铝浓度处理下，SMC显著下降;在100 mg/kg 镉浓度处理下，SMC显著下降;铝镉同时添加时，均显著降低SMC含量。试验结果说明，铝镉达到一定浓度时均对SMC显著抑制。

2.2  铝镉对土壤微生物量氮（SMN）影响

铝镉对土壤微生物量氮（SMN）的影响见图2。通過多重比较分析，添加铝处理均显著降低SMN。在5～15 mg/kg镉浓度处理条件下显著促进SMN，在20、50、100 mg/kg镉浓度处理下，SMN显著下降。铝镉同时添加情况下，低浓度处理提高SMN，当铝提高到200 mg/kg和镉提高10 mg/kg以上，显著降低SMN。试验结果说明，铝对SMN显著抑制。

2.3  铝镉对土壤微生物量磷（SMP）影响

土壤微生物量磷（SMP）指土壤中所有活体微生物中所含有的磷，主要成分是核酸、磷脂等易矿化有机磷及一部分无机磷。它在土壤中的含量很小，但是由于SMP周转速度快， 是植物有效磷的重要来源。土壤添加铝后，在50和100 mg/kg低浓度处理下，SMP无显著差异，将铝浓度提高到200～2 000 mg/kg，SMP显著增加;在2～10 mg/kg镉浓度处理下，SMP无显著差异，在15和20 mg/kg的镉浓度处理条件下，SMP含量显著增加，而在50和100 mg/kg的镉浓度处理条件下，SMP含量无显著差异。铝镉处理浓度分别为500和15 mg/kg 时，SMP含量显著增加。

2.4  鋁镉对土壤水溶性有机碳WSOC影响

土壤水溶性有机碳只占土壤有机碳的很少部分，通常含量低于200 mg/kg，但它是微生物能直接利用的有机碳源。从图4可以看出，对照土的WSOC含量37 mg/kg，说明供试土的WSOC含量非常低。在低浓度铝处理下，对WSOC不受影响，即在50～500 mg/kg处理，对水溶性有机碳无显著影响，在1 000到2 000 mg/kg处理时，水溶性有机碳含量显著增加，即WSOC增加31.46%～52.19%。镉对WSOC几乎没有影响，除15 mg/kg处理。铝镉同时添加对水溶性有机碳的影响，在镉浓度2～10 mg/kg及铝浓度50～200 mg/kg处理下，对WSOC含量的影响无显著差异，在镉浓度15～100 mg/kg及铝浓度500～2 000 mg/kg处理下，显著促进WSOC增加。铝镉同时添加对WSOC的影响与单一铝作用趋势一致。

2.5  铝镉对土壤水溶性氮（WSN）影响

铝镉对土壤水溶性氮WSN的影响见图5。土壤添加铝后，除50 mg/kg处理，铝处理浓度在100～2 000 mg/kg，土壤水溶性氮显著增加，且随处理浓度增加而增加，水溶性氮含量增加幅度为61.09%～2.7倍。镉胁迫在2～15 mg/kg，水溶性氮含量无显著差异。镉浓度提高到20～100 mg/kg，水溶性氮含量显著提高。铝镉同时加入后，随着处理浓度增加，水溶性氮含量显著提高。

3  讨论与结论

前期研究表明，铝对土壤微生物有强烈的抑制[11]。一方面导致微生物固持碳量随之减少;另一方面由于铝作用下土壤CO2呼吸减弱，土壤有机碳以CO2形式向大气释放减少[11-13]，导致WSOC含量随之增加。土壤微生物磷只占1%～5%，但对土壤磷素的转化起着至关重要作用[14]。据研究报道，红壤旱地真菌主要参与土壤磷素固持过程[15]。真菌在铝浓度1 000～2 000 mg/kg的情况下被抑制[11]。单一铝处理或铝镉复合处理在处理浓度比较高的情况下，SMP含量显著增加现象，磷酸酶活性反映土壤有效磷含量的丰缺，在该处理下，磷酸酶活性下降显著[16]。说明土壤有效磷含量增加，土壤微生物可利用的磷含量增加，导致磷被微生物固持随之增加，而镉对磷酸酶活性影响小，因此，SMP变化很小。有研究表明，热带酸性土壤对硝态氮的反硝化能力弱，以铵态氮为主，硝态氮含量低[17-18]。酸性土壤环境避免了铵态氮的挥发损失， Ayanaba等[19]研究认为，强酸土壤环境能使微生物活性减弱，降低其分解、转移土壤有机碳的能力，有利于WSOC含量的增加。由于pH降低，导致土壤溶液中Al和Fe与有机碳的结合更加牢固，从而稳定土壤有机碳库[20-21]。土壤酸化促进土壤氮的富集，也提高土壤碳的有效性[22]。因此，在本试验条件下，随着铝处理浓度增加，土壤酸度增加，土壤水溶性氮和土壤水溶性有机碳的含量也随着增加。土壤过氧化氢酶和脱氢酶参与土壤碳循环，铝镉复合处理下，这2种酶活性比单一铝或单一镉处理下酶活性低[16]。因此，铝镉复合处理下SMC比单一铝镉处理低。

综上所述，铝处理对土壤微生物量的影响具体为：降低土壤微生物氮含量，而提高土壤微生物磷含量，对土壤微生物碳的影响相对复杂，20～100 mg/kg镉处理降低土壤微生物氮含量;铝镉提高土壤水溶性氮含量，且随处理浓度增加而增加。铝镉复合处理比单一铝镉对土壤微生物碳或水溶性有机碳的影响大。

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