地上植物、地球化學(xué)元素及電池污染對土壤微生物群落特征的影響.pdf

1、土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)過程中發(fā)揮著重要的作用，這些生態(tài)系統(tǒng)過程包括能量流、營養(yǎng)循環(huán)、有機質(zhì)降解和土壤肥力維持等。土壤微生物受到地上植物、土壤地球化學(xué)元素以及電池等污染物質(zhì)的影響。地上植物通過為土壤微生物提供合適的棲息場所和食物來源影響土壤微生物群落特征；一些有營養(yǎng)的地球化學(xué)元素能夠為微生物生長提供影響，但一些有毒有害地球化學(xué)元素包括重金屬(特別是含量較高時)會對土壤微生物群落產(chǎn)生負面影響；此外，隨著越來越多廢舊電池被隨意丟棄到土壤中，土壤

2、微生物健康受到了很大威脅。以上因素所引起的土壤微生物群落大小、結(jié)構(gòu)和活性的變化將會對微生物所介導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)過程產(chǎn)生影響，因此研究微生物對上述環(huán)境因子的響應(yīng)將有利于為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和對土壤污染敏感的微生物指標(biāo)的篩選提供理論參考和實踐指導(dǎo)。 本研究于2005年8月在中國濟南沿西北到東南的一條直線每隔1 km設(shè)置1個樣地，共16個樣地。在每個樣地，記錄植物物種名和投影蓋度，并根據(jù)其計算植物多樣性指數(shù)；在每一個樣地隨機取六份表層10

3、cm土，混合均勻后按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1：250000)》中的標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定其中As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、V、Zn、Se、N、S、SiO<,2>、Al<,2>O<,3>、Fc<,2>O<,3>、MgO、CaO、Na<,2>O和K<,2>O的濃度，并根據(jù)這25種元素計算總體元素(TE)水平；將As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、V和Zn作為有毒元素和重金屬，并

4、根據(jù)這11種元素計算總體污染(TP)水平；特定微生物類群包括細菌、真菌、放線菌、固氮菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌和纖維素分解菌的數(shù)量用培養(yǎng)的方法來確定，微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)通過磷脂脂肪酸(PI,FA)技術(shù)分析，群落水平生理圖譜(CLPPs)和微生物功能多樣性通過Biolog微孔板技術(shù)測定。以上的工作用于確定地上植物和地球化學(xué)元素對土壤微生物群落的影響。此外，我們建立了微生態(tài)系統(tǒng)土壤，并分別用0、0.32、3.2和8 g·kg<'-1>

5、廢舊電池粉末對其進行了處理。在處理后15、30、45和60天各測定一次微生物生物量和呼吸，60天后通過Biolog微孔板技術(shù)測定群落水平生理圖譜和計算微生物功能多樣性，從而了解廢舊電池污染對土壤微生物群落的影響。 結(jié)果顯示植物多樣性對大多數(shù)土壤微生物類群的數(shù)量和微生物功能多樣性沒有顯著效果。黃豆田的可培養(yǎng)微生物數(shù)量及功能多樣性指數(shù)都很高，說明豆科對土壤微生物的生長和活性具有顯著的促進作用。本研究還發(fā)現(xiàn)在PLFA圖譜中自然植被下的

6、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)能夠與人工植被下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分離，這表明人類干擾對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響。本研究中多數(shù)地球化學(xué)元素與各類群土壤微生物數(shù)量沒有顯著相關(guān)性，但是重金屬Cd濃度與可培養(yǎng)細菌數(shù)量(R=0.72，P<0.01)、可培養(yǎng)真菌數(shù)量(R=0.52，P<0.05)、可培養(yǎng)放線菌數(shù)量(R=0.66，P<0.01)、可培養(yǎng)固氮菌數(shù)量(R=0.66，P<0.01)、可培養(yǎng)纖維素分解菌數(shù)量(v=0.80，P<0.01)呈顯著的正

7、相關(guān)，N濃度與可培養(yǎng)細菌數(shù)量(R=0.57，P<0.05)、可培養(yǎng)放線菌數(shù)量(R=0.67，P<0.01)、可培養(yǎng)固氮菌數(shù)量(R=0.56，P<0.05)、纖維素分解菌數(shù)量(R=0.61，P<0.05)呈顯著正相關(guān)，說明在低濃度下，Cd、N元素濃度的變化對土壤微生物的生長和繁殖有較大影響。多數(shù)地球化學(xué)元素與土壤微生物群落功能多樣性間無顯著相關(guān)性，但是Co濃度與Shannon S，Shannon日呈顯著負相關(guān)(R=-0.54，R=-0.5

8、3，p<0.05)，Cr濃度與AWCD值呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明在低濃度下，Co就已經(jīng)對微生物功能表現(xiàn)出傷害，而低濃度的Cr可以促進微生物功能。 電池污染對土壤微生物生物量、呼吸和代謝能力具有不同的影響，添加廢舊電池粉末減少微生物生物量但是促進微生物呼吸和分解代謝能力，這表明在不利條件下土壤微生物能夠?qū)⒛芰繌暮铣纱x轉(zhuǎn)移到維持生存需要上：有趣的是，在處理后60d時，四個處理的土壤微生物生物量間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異，然而高水

9、平處理的微生物呼吸速率與對照間仍然存在顯著差異，這表明隨著時間的推移土壤微生物能夠恢復(fù)到與對照同樣的生物量，同時也表明微生物呼吸的恢復(fù)比微生物生物量的恢復(fù)需要更長的時間，甚至不能夠完全恢復(fù)：并且CLPPs顯示在處理后60d時電池污染對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)仍然具有顯著影響，這表明電池污染對土壤微生物群落的影響具有持久性。 本研究發(fā)現(xiàn)影響纖維素分解菌的地球化學(xué)元素較多，As、Cd、Cr、P、N濃度、總體元素水平TE和總體污染水平TP均

10、與可培養(yǎng)纖維素分解菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)，這說明纖維素分解菌這一微生物類群較其它微生物類群更敏感，可用于作為土壤污染和土壤肥力的可能指示菌群。通過對微生物生物量與地球化學(xué)元素相關(guān)性的分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)地球化學(xué)元素與微生物生物量及其比例沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，然而Mn、Pb、Se和S的濃度均與GP/GN比值呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為：R=0.51，R=0.50，R=0.50，R=0.56，P<0.05)。表明兩種微生物類群生物量的比值常常較單一的微

11、生物類群對環(huán)境因子的變化更為敏感，GP/GN比值可以作為環(huán)境中Mn、Pb、Se和S生物有效性的敏感微生物指標(biāo)。電池污染對微生物生物量的抑制在整個培養(yǎng)期間逐漸變?nèi)踔钡较В虼宋⑸锷锪坎荒茏鳛殡姵匚廴镜纳镉行缘拿舾兄笜?biāo)。在整個培養(yǎng)期間，高水平處理的土壤微生物呼吸熵和代謝能力顯著高于其它處理，在最后一次檢測時高水平處理的Biolog圖譜能夠與其它處理區(qū)分，因此，微生物呼吸熵和Biolog參數(shù)是電池污染的生物有效性的敏感指標(biāo)，并且有希

12、望用于廢舊電池污染的土壤監(jiān)測中。本研究用主成分分析的方法對16個研究樣地進行聚類時，發(fā)現(xiàn)PLFA圖譜能夠?qū)⒆匀恢脖幌碌奈⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)與人工植被的微生物群落結(jié)構(gòu)區(qū)分開來，而Biolog圖譜不能夠區(qū)分16個樣地的CLPPs。Cd濃度與許多微生物類群數(shù)量成正相關(guān)，但與微生物功能多樣性指數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系；Co濃度與微生物類群數(shù)量無顯著相關(guān)關(guān)系，但與微生物功能多樣性指數(shù)顯著負相關(guān)。這些結(jié)果表明不同的地上植物和土壤地球化學(xué)元素通過為土壤微生物提供的

13、棲息地、食物、能量等影響著微生物群落的整體面貌，但是這些環(huán)境因子驅(qū)動的不同微生物參數(shù)的變化是不一致的。因此，分別用多種方法測定微生物群落的多個參數(shù)才能獲得微生物群落的完整信息。 總之，地上植物由于植物多樣性高低、豆科植物存在與否和人類干擾程度的不同而影響土壤微生物群落的大小、結(jié)構(gòu)和功能多樣性。本研究發(fā)現(xiàn)植物多樣性對大多數(shù)土壤微生物參數(shù)沒有明顯的效果；豆科植物能夠顯著提高土壤微生物的數(shù)量、生物量和功能多樣性；干擾能夠顯著影響土壤微

14、生物群落結(jié)構(gòu)。地上植物對土壤微生物的影響的研究能夠為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供一些參考。低濃度的地球化學(xué)元素能夠促進土壤微生物的增殖和生長，但有可能阻礙土壤微生物的功能。廢舊電池通過減少微生物生物量、增加微生物活性和改變微生物群落結(jié)構(gòu)而對土壤微生物群落產(chǎn)生負面影響，盡管在電池污染壓力下土壤微生物生物量能夠自我恢復(fù)，但是電池污染對土壤微生物群落的長期的傷害仍然存在。纖維素分解菌的數(shù)量和兩種微生物類群生物量的比值是監(jiān)測土壤污染的有前景的微生物指