地上植物、地球化学元素及电池污染对土壤微生物群落特征的影响

【摘要】： 土壤微生物在生态系统过程中发挥着重要的作用，这些生态系统过程包括能量流、营养循环、有机质降解和土壤肥力维持等。土壤微生物受到地上植物、土壤地球化学元素以及电池等污染物质的影响。地上植物通过为土壤微生物提供合适的栖息场所和食物来源影响土壤微生物群落特征；一些有营养的地球化学元素能够为微生物生长提供影响，但一些有毒有害地球化学元素包括重金属(特别是含量较高时)会对土壤微生物群落产生负面影响；此外，随着越来越多废旧电池被随意丢弃到土壤中，土壤微生物健康受到了很大威胁。以上因素所引起的土壤微生物群落大小、结构和活性的变化将会对微生物所介导的生态系统过程产生影响，因此研究微生物对上述环境因子的响应将有利于为当地的生态系统恢复和对土壤污染敏感的微生物指标的筛选提供理论参考和实践指导。 本研究于2005年8月在中国济南沿西北到东南的一条直线每隔1km设置1个样地，共16个样地。在每个样地，记录植物物种名和投影盖度，并根据其计算植物多样性指数；在每一个样地随机取六份表层10cm土，混合均匀后按照《多目标区域地球化学调查规范(1：250000)》中的标准分析方法测定其中As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、V、Zn、Se、N、S、SiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3，、MgO、CaO、Na_2O和K_2O的浓度，并根据这25种元素计算总体元素(TE)水平；将As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、V和Zn作为有毒元素和重金属，并根据这11种元素计算总体污染(TP)水平；特定微生物类群包括细菌、真菌、放线菌、固氮菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌和纤维素分解菌的数量用培养的方法来确定，微生物生物量和群落结构通过磷脂脂肪酸(PLFA)技术分析，群落水平生理图谱(CLPPs)和微生物功能多样性通过Biolog微孔板技术测定。以上的工作用于确定地上植物和地球化学元素对土壤微生物群落的影响。此外，我们建立了微生态系统土壤，并分别用0、0.32、3.2和8g·kg~(-1)废旧电池粉末对其进行了处理。在处理后15、30、45和60天各测定一次微生物生物量和呼吸，60天后通过Biolog微孔板技术测定群落水平生理图谱和计算微生物功能多样性，从而了解废旧电池污染对土壤微生物群落的影响。 结果显示植物多样性对大多数土壤微生物类群的数量和微生物功能多样性没有显著效果。黄豆田的可培养微生物数量及功能多样性指数都很高，说明豆科对土壤微生物的生长和活性具有显著的促进作用。本研究还发现在PLFA图谱中自然植被下的土壤微生物群落结构能够与人工植被下的土壤微生物群落结构分离，这表明人类干扰对土壤微生物群落结构具有显著影响。 本研究中多数地球化学元素与各类群土壤微生物数量没有显著相关性，但是重金属Cd浓度与可培养细菌数量(R=0.72，P＜0.01)、可培养真菌数量(R=0.52，P＜0.05)、可培养放线菌数量(R=0.66，P＜0.01)、可培养固氮菌数量(R=0.66，P＜0.01)、可培养纤维素分解菌数量(R=0.80，P＜0.01)呈显著的正相关，N浓度与可培养细菌数量(R=0.57，P＜0.05)、可培养放线菌数量(R=0.67，P＜0.01)、可培养固氮菌数量(R=0.56，P＜0.05)、纤维素分解菌数量(R=0.61，P＜0.05)呈显著正相关，说明在低浓度下，Cd、N元素浓度的变化对土壤微生物的生长和繁殖有较大影响。多数地球化学元素与土壤微生物群落功能多样性间无显著相关性，但是Co浓度与Shannon S，Shannon H呈显著负相关(R=-0.54，R=-0.53，p＜0.05)，Cr浓度与AWCD值呈显著正相关(p＜0.05)，说明在低浓度下，Co就已经对微生物功能表现出伤害，而低浓度的Cr可以促进微生物功能。 电池污染对土壤微生物生物量、呼吸和代谢能力具有不同的影响，添加废旧电池粉末减少微生物生物量但是促进微生物呼吸和分解代谢能力，这表明在不利条件下土壤微生物能够将能量从合成代谢转移到维持生存需要上；有趣的是，在处理后60d时，四个处理的土壤微生物生物量间没有发现显著差异，然而高水平处理的微生物呼吸速率与对照间仍然存在显著差异，这表明随着时间的推移土壤微生物能够恢复到与对照同样的生物量，同时也表明微生物呼吸的恢复比微生物生物量的恢复需要更长的时间，甚至不能够完全恢复；并且CLPPs显示在处理后60d时电池污染对土壤微生物群落结构仍然具有显著影响，这表明电池污染对土壤微生物群落的影响具有持久性。 本研究发现影响纤维素分解菌的地球化学元素较多，As、Cd、Cr、P、N浓度、总体元素水平TE和总体污染水平TP均与可培养纤维素分解菌数量呈显著正相关，这说明纤维素分解菌这一微生物类群较其它微生物类群更敏感，可用于作为土壤污染和土壤肥力的可能指示菌群。通过对微生物生物量与地球化学元素相关性的分析，发现多数地球化学元素与微生物生物量及其比例没有显著的相关关系，然而Mn、Pb、Se和S的浓度均与GP/GN比值呈显著正相关(相关系数分别为：R=0.51，R=0.50，R=0.50，R=0.56，P＜0.05)。表明两种微生物类群生物量的比值常常较单一的微生物类群对环境因子的变化更为敏感，GP/GN比值可以作为环境中Mn、Pb、Se和S生物有效性的敏感微生物指标。电池污染对微生物生物量的抑制在整个培养期间逐渐变弱直到消失，因此微生物生物量不能作为电池污染的生物有效性的敏感指标。在整个培养期间，高水平处理的土壤微生物呼吸熵和代谢能力显著高于其它处理，在最后一次检测时高水平处理的Biolog图谱能够与其它处理区分，因此，微生物呼吸熵和Biolog参数是电池污染的生物有效性的敏感指标，并且有希望用于废旧电池污染的土壤监测中。 本研究用主成分分析的方法对16个研究样地进行聚类时，发现PLFA图谱能够将自然植被下的微生物群落结构与人工植被的微生物群落结构区分开来，而Biolog图谱不能够区分16个样地的CLPPs。Cd浓度与许多微生物类群数量成正相关，但与微生物功能多样性指数无显著相关关系；Co浓度与微生物类群数量无显著相关关系，但与微生物功能多样性指数显著负相关。这些结果表明不同的地上植物和土壤地球化学元素通过为土壤微生物提供的栖息地、食物、能量等影响着微生物群落的整体面貌，但是这些环境因子驱动的不同微生物参数的变化是不一致的。因此，分别用多种方法测定微生物群落的多个参数才能获得微生物群落的完整信息。 总之，地上植物由于植物多样性高低、豆科植物存在与否和人类干扰程度的不同而影响土壤微生物群落的大小、结构和功能多样性。本研究发现植物多样性对大多数土壤微生物参数没有明显的效果；豆科植物能够显著提高土壤微生物的数量、生物量和功能多样性；干扰能够显著影响土壤微生物群落结构。地上植物对土壤微生物的影响的研究能够为当地的生态系统恢复提供一些参考。低浓度的地球化学元素能够促进土壤微生物的增殖和生长，但有可能阻碍土壤微生物的功能。废旧电池通过减少微生物生物量、增加微生物活性和改变微生物群落结构而对土壤微生物群落产生负面影响，尽管在电池污染压力下土壤微生物生物量能够自我恢复，但是电池污染对土壤微生物群落的长期的伤害仍然存在。纤维素分解菌的数量和两种微生物类群生物量的比值是监测土壤污染的有前景的微生物指标，微生物呼吸熵和Biolog参数是电池污染的生物有效性的敏感指标。地球化学元素和电池污染对土壤微生物的影响的研究能够为土壤污染监测的敏感微生物指标的筛选提供一些参考。