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肥料农药和重金属对紫色水稻土微生物特性的影响

张腊梅  
【摘要】: 土壤微生物是土壤生态系统物质循环和能量流动的主要参与者,在土壤有机质分解、养分循环、土壤结构改良、温室气体排放、环境污染物净化等过程中发挥重要作用。微生物种群数量和活性的变化能敏感地反映土壤质量健康状况。是评价土壤质量变化最敏感的指标,对土壤质量的评价一直偏重于土壤物理、化学指标,忽视土壤微生物学指标的研究,尚未建立土壤质量健康的微生物指标。肥料、农药和其它农用化学品的使用是影响土壤质量及其可持续利用最深刻的农业措施,也是影响土壤微生物种群数量和活性的重要因素。关于化肥、农药和重金属污染对土壤微生物的影响已开展了较多研究,但是这些研究主要集中在旱地土壤,对稻田土壤中厌氧微生物种群数量及活性的系统研究国内外均少见报道。稻田土壤由于其独特的厌氧生境,人为活动对微生物的影响必然不同于旱地农田生态系统。稻田土壤中的厌氧微生物(产甲烷细菌、厌氧固氮菌、反硝化细菌、厌氧纤维分解菌等)在有机碳的分解、氮素循环和温室气体的产生等方面具有重要作用。关于长期施肥以及农药重金属污染对紫色水稻土厌氧微生物种群数量和活性的系统研究鲜见报道。 本研究以“国家紫色土土壤肥力与肥料效益监测基地“的长期肥料定位试验为平台,以紫色水稻土为研究材料,采用长期定位试验、室内培养试验和数学分析相结合的研究方法,研究了长期施肥以及农药和重金属污染对紫色水稻土微生物种群数量及活性的影响,探讨了紫色水稻土微生物特性与土壤养分肥力的关系,分析了对农药重金属污染敏感的微生物种类和活性指标;为稻田土壤肥力质量和环境质量的生物学评价以及土壤污染预警指标体系的建立提供基础数据;为农药重金属污染土壤的修复、制定合理的土壤培肥制度、促进稻田生态系统良性循环提供科学依据。主要研究结果如下。 长期施肥提高了除厌氧固氮菌(ANFB)以外的所有微生物群落数量,施用有机肥料对提高土壤微生物数量的效果优于化肥;所有处理中以有机肥与化肥配施微生物种群数量最高,以不施肥和撂荒处理菌群数量最低,NPK化肥均衡施用比不均衡处理菌群数量高。稻田土壤中厌氧微生物群落数量与有机肥和氮肥的供应密切相关,施用有机肥和氮肥显著提高了产甲烷细菌、厌氧纤维分解菌(ACDB)、产氢产乙酸细菌(HPAB)、水解发酵性细菌(AFB)、反硝化细菌(DNB)和硫酸盐还原菌(SRB)数量,抑制了土壤中厌氧固氮菌的生长繁殖。在本试验的厌氧环境条件下,稻田土壤中三大菌群数量以细菌最高,比真菌和放线菌高2个数量级;在不同施肥处理中,细菌以化肥与厩肥配施处理最多,比不施肥处理高3倍;放线菌和真菌数量以化肥与稻草配施处理最高,分别比不施肥处理高484%和96%。有机肥与化肥配合施用能协调土壤碳氮比,有利于土壤中微生物的生存和繁衍,是保持微生物种群数量多样性及稳定性的重要措施。 施用有机肥显著提高了与土壤碳循环有关的呼吸强度、产甲烷活性、蔗糖酶、过氧化氢酶以及与硫和氮循环有关的SRB活性和DNB活性;长期使用氮肥降低了ANFB活性,提高了脲酶活性;施磷处理中性磷酸酶活性明显提高。除ANFB活性外,其它所有酶活性及生物活性都以不施肥和撂荒地最低,说明在紫色土上耕作和施肥是提高微生物种群数量和活性的重要措施。 不同施肥处理土壤养分含量和作物产量与不同类群微生物数量及生物活性的相关分析表明,除ANFB外,其它各种类群微生物数量及活性与土壤有机质和全氮含量呈较好的正相关;除中型磷酸酶与土壤速效磷含量呈极显著正相关外,其它各种类群微生物数量及活性与土壤速效磷和有效钾的相关性差,表明土壤微生物的数量、酶活性和生物活性的高低在一定程度上反映了土壤C、N肥力水平,而与土壤磷钾供应无关。与有机质分解和碳氮循环有关的厌氧微生物和酶(ACDB、HPAB、DNB、产甲烷活性、蔗糖酶、过氧化氢酶)与稻田土壤有机质和氮素含量呈显著正相关,对土壤碳氮肥力的表征作用最好;磷酸酶活性对土壤磷素肥力的指示作用最佳。 不同浓度丁草胺、呋喃丹对微生物的影响趋势相似,低浓度的丁草胺和呋喃丹(1mg kg~(-1)干土)能刺激除真菌以外的所有微生物的生长并提高其生物活性和酶活性,明显抑制了真菌数量;当呋喃丹和丁草胺的浓度提高到10 mg kg~(-1)(干土)时则抑制了所有微生物的生长并降低其生物活性和酶活性,7d时抑制作用最大,随着农药使用时间的延长,其抑制作用降低,微生物群落数量和活性逐渐恢复。无论是低浓度或高浓度的多菌灵对所有微生物及其活性都具有明显的抑制作用,多菌灵对稻田土壤微生物的抑制强度大于呋喃丹和丁草胺,说明稻田土壤微生物对多菌灵敏感。 不同微生物类群对农药污染的敏感性存在较大差异。相同处理条件下,厌氧微生物(产甲烷细菌、ACDB、ANFB、DNB、SRB、HPAB、AFB)对农药污染的敏感性高于好氧微生物(细菌、真菌和放线菌)。在3种好氧微生物中,呋喃丹对真菌的抑制最强,多菌灵对放线菌的抑制率最高。在测定的7种厌氧微生物中,以ACDB、HPAB、产甲烷细菌对农药污染最敏感,当呋喃丹、多菌灵的使用量为10 mg kg~(-1)、5 mg kg~(-1)(干土)时,在7天内农药对对这3种厌氧菌的抑制率达到50%,可以采用这几种厌氧微生物作为农药污染的指示生物。不同酶活性对农药污染的敏感性也不同,农药污染对中性磷酸酶的抑制作用高于脲酶、蔗糖还原酶和过氧化氢酶。 同一种农药对不同类群微生物数量和活性的影响存在较大差异。在测定的10种微生物中,以HPAB、AFB、产甲烷菌和真菌对呋喃丹最敏感,每kg干土施用10mg呋喃丹,7d时这几种微生物下降40-50%;产甲烷菌、HPAB、AFB和ACDB对多菌灵最敏感,施用多菌灵5 mg kg~(-1),7d时这几种微生物抑制率高达55-80%;AFB和DNB对丁草胺较敏感,施用10 mg kg~(-1)丁草胺,7d时抑制率达到35-40%。 本试验条件下,呋喃丹、多菌灵、丁草胺对产甲烷菌群落数量及产甲烷活性的抑制作用最强,是表征稻田土壤农药污染最敏感的指标,其数量和活性的高低能很好地反映呋喃丹、多菌灵和丁草胺对紫色水稻土的污染状况,建议采用产甲烷菌和产甲烷活性作为农药污染的预警指示生物。 低浓度的Cd~(2+)、As~(5+)、Cu~(2+)处理(处理浓度分别为0.5、30、50 mg kg~(-1)干土),刺激了除真菌和硫酸盐还原菌以外的其它8种土壤微生物的生长,提高了酶活性;3种重金属都严重抑制了反硝化活性,抑制率高达97%以上;Cd~(2+)对真菌和SRB数量及活性影响不大,As~(5+)则明显抑制了真菌和SRB数量及活性,Cu~(2+)抑制了真菌和产甲烷活性。中高浓度的Cd~(2+)、As~(5+)、Cu~(2+)浓度处理,降低了所有微生物群落数量和活性。中浓度(1.0 mg kg~(-1))Cd~(2+)处理降低了所有微生物数量及活性,其中对DNB数量及活性、产甲烷菌及活性、SRB数量及其活性抑制作用最强。As~(5+)60 mg kg~(-1)处理,对所有微生物都表现出抑制作用,其中对放线菌、产甲烷细菌数量和活性、ANFB数量及活性、ACDB、HPAB抑制强度最大,7d时抑制率分别为46%、57%、98%、45%、44%。Cu~(2+)500 mg kg~(-1)处理,所有微生物都受到抑制,其中DNB活性、SRB和产甲烷菌对Cu污染最敏感,处理7天时的抑制率分别为98%、71%和45%。微生物数量及活性与重金属浓度之间的相关分析表明,Cd~(2+)、As~(5+)、Cu~(2+)浓度与微生物数量及活性呈显著的负相关,土壤微生物数量和活性可以在一定程度上表征重金属对土壤的污染程度。从Cd~(2+)对微生物的抑制剧变浓度MD_(50)看出,放线菌、ANFB和AFB、过氧化氢酶、蔗糖酶的Cd~(2+)抑制剧变浓度MD_(50)较高,为2.3~2.7 mg kg~(-1),表明它们对Cd~(2+)污染忍耐力强;产甲烷细菌及其活性、DNB、SRB、ACDB的抑制剧变浓度MD_(50)都在1 mg kg~(-1)左右(符合国家三级土壤质量标准),它们对Cd~(2+)最敏感,可以作为Cd~(2+)污染的指示生物。As对真菌和放线菌的抑制剧变浓度MD_(50)较高,对其它微生物的抑制剧变浓度MD_(50)大多在50~60 mg kg~(-1)左右,但是都超过了国家三级土壤质量标准。Cu对放线菌、ANFB和AFB的抑制剧变浓度MD_(50)较高(高于1000 mg kg~(-1)),这些微生物对Cu忍耐力强。但是HPAB、DNB、ACDB、产甲烷细菌的抑制剧变浓度MD_(50)在500~700 mg kg~(-1)之间,这几种微生物对Cu污染敏感,可以作为Cu污染的指示生物。 施加低浓度(200mg kg~(-1)干土)Pb~(2+)对土壤中AFB、产甲烷菌数量和活性有明显的刺激作用;对放线菌和ACDB、DNB活性则表现出明显的抑制作用,处理7d后抑制率为18%、19%和98%,对其它微生物数量和酶活性影响不大。而中、高浓度Pb~(2+)处理抑制了所有微生物数量和活性,其中真菌、ACDB、DNB数量及活性对Pb~(2+)最敏感,400 mg kg~(-1)Pb~(2+)处理7d后,分别降低44%、41%、98%。 Cr~(3+)200 mg kg~(-1)(干土)处理,土壤中所有微生物数量及活性都受到抑制,其中SRB数量及活性、产甲烷活性、DNB活性和ANFB活性受到严重影响,处理7天后其数量、活性分别下降60%、34%、66%、98%、65%。400 mg kg~(-1)(干土)Cr~(3+)处理微生物受到严重抑制,处理7天后各种微生物量都下降50%以上,所有生物活性下降99%,脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性降低60%、21%、59%、42%。当施加1600 mg kg~(-1)重金属Cr后,微生物几乎被全部杀死,微生物数量及活性只有对照的1%左右,所有微生物对Cr污染都敏感。


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