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镉污染稻田土壤理化性质、微生物及酶活性的差异性

 
 
(来源:环境工程  作者:周利军1 林小兵1 武 琳1 黄欠如1 俞 莹2 张鸿燕2 郭乃嘉2 张 云3 刘 晖2(1.江西省红壤研究所 国家红壤改良工程技术研究中心;2.江西省农业生态与资源保护站;3.天工方圆建设集团))
 
研究背景
        我国土壤重金属污染相当严峻,根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》,我国土壤重金属污染主要以镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)等为主,其中耕地土壤Cd污染以轻微、轻度污染为主,总体点位超标率高于其他重金属,达到7.0%。南方水稻主产区酸性农田土壤镉污染问题更为突出,土壤Cd活性高、迁移性强,易于在水稻植株和稻米中累积,造成稻米Cd含量超标,水稻Cd污染可通过食物链传递与富集等途径严重危害人体健康。Cd污染不仅能够改变土壤微生物的活性生物量和群落结构,影响土壤中的酶活性,而且还影响土壤中营养元素的释放和生物可利用性。近年来,通过对区域内土壤加密取样,不仅可以了解土壤重金属分布特征,而且可为土壤重金属修复和评价提供数据支撑。
 
        关于土壤重金属的空间分布研究主要表现在土壤重金属的空间差异以及评价上,而针对重金属污染稻田下的土壤理化性质、微生物和酶活性空间分布研究较少。本研究将萍乡市作为典型开采、冶炼造成的土壤重金属镉污染区域,选择对其区域内2 hm2 Cd污染农田进行采样,研究萍乡市Cd污染农田土壤中土壤理化性质、微生物和酶活性空间变异性,及其空间变化影响因素,为萍乡市采取合理的农田土壤环境管控对策提供研究资料,并为重金属污染土壤的修复提供参考。
 
  要
        通过田间试验,分析了萍乡市2 hm2  Cd污染稻田中土壤理化性质、微生物和酶活性的空间差异性及相关性特征。结果表明:糙米Cd变异系数大于土壤有效态Cd和总Cd,且晚稻变异性大于早稻,属于中等变异性。土壤pH和容重变异系数较小,有机质、阳离子交换量、速效钾、有效磷和碱解氮变异系数为22.82%~35.60%,属于中等变异性;除过氧化氢酶变异性较小外,土壤酶活性、机械组成和微团聚体变异系数为10.54%~38.21%,属于中等变异性;土壤微生物(52.59%~84.64%)变异性较强,表现为细菌>放线菌>真菌。相关性分析表明:土壤pH、砂粒、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶与土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶具有较强的负相关;而土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶之间具有较强的正相关。主成分分析发现:pH、有机质、容重、速效钾和碱解氮是土壤理化性质的关键因子。
 
01材料与方法
         1.研究区概况
         试验选择江西省萍乡市湘东区东桥镇厚田村,地处湘赣边界,属亚热带季风气候区,光热充足,雨量充沛,气候温和,无霜期长,年平均气温为17~18 ℃,年平均降雨量约1600 mm。本试验田土壤为潜育型水稻土,2016年土壤检测结果表明:0~20 cm土层土壤有机质含量为32.16 g/kg,pH值为5.16,土壤总Cd含量平均值为0.36 mg/kg,超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》 中筛选值0.30 mg/kg,污染程度属于轻度,有效态Cd含量平均值为0.24 mg/kg,灌溉水中重金属Cd含量未检出,晚稻糙米Cd含量平均值为0.60 mg/kg,严重超过GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中谷物中镉含量不能超过0.2 mg/kg。
        2.样品采集与分析
        田间试验选择东桥镇厚田村2 hm2 (30亩)范围的农田,按S形选择20块20 m×30 m的田块。于2017年7月进行早稻土壤和植株采样,10月进行晚稻土壤和植株采样,12月在20块试验田按5点取样法采集0~20 cm表层土壤,每块田重复3次,共计采集60个土壤样品,检测土壤理化性质、微生物和酶活性。
土壤常规理化性质参照《土壤农化分析》中的方法测定。
        3.数据处理
        本试验所有数据计算和统计分析通过R语言(www.r-project.org)统计软件进行处理,土壤理化性质、微生物和酶活性统计特征值包括平均值、标准方差、变异系数、偏度、峰度等采用R语言程序包vegan完成;土壤理化性质、微生物和酶活性间的相关性分析(皮尔森相关系数,Pearson correlation coefficient)采用R语言程序包Hmisc、corrplot和Performance Analytics完成,并通过R语言软件程序包ggplot2完成绘图;土壤理化性质的主成分分析采用R语言princomp函数完成。变异系数大小决定随机变量的变异程度,即土壤理化性质、微生物和酶活性空间差异性的大小。一般认为变异系数CV≤0.1时为弱变异性,0.1≤CV≤1.0时为中等变异性,CV≥1.0时为强变异性。
 
02 结果与讨论
        1.土壤总Cd 、有效态Cd和糙米Cd含量差异性分析
        表1为土壤总Cd、有效态Cd和糙米Cd含量。可以得出:早稻土壤总Cd含量全部超标(>0.3 mg/kg),糙米Cd含量不超标(>0.2 mg/kg);晚稻土壤总Cd超标率为75%,糙米Cd含量超标率为87.50%。变异系数表现为糙米Cd>土壤有效态Cd>土壤总Cd;晚稻土壤总Cd、有效态Cd和糙米Cd变异系数大于早稻。分析认为,季节性降水及水稻生长期可能影响土壤和糙米Cd含量,土壤理化性质差异会影响土壤中重金属元素活性和有效性。
 
表1 土壤总Cd、有效态Cd和糙米Cd含量
        2.土壤理化性质差异性分析
        土壤理化性质空间变异性见表2,土壤pH值为4.79~5.66,平均值为5.19,属于酸性土壤,呈正偏度。从变异系数来看,土壤速效钾变异性最大,随后依次为有效磷阳离子交换量、有机质和碱解氮,均超过20%,容重和pH变异系数较小。土壤机械组成表现为砂粒(均值为43.90%)>粉粒(均值为38.35%)>黏粒(均值为17.75%),土壤质地为壤土,变异系数也表现为砂粒>粉粒>黏粒。土壤微团聚体总体表现为0.25~0.05 mm(37.91%)>2~0.25 mm(31.04%)>0.05~0.01 mm(21.98%)>0.01~0.005 mm(5.27%)>0.005~0.001 mm(3.32%)>0.001 mm以下(0.48%),其中<0.001 mm,0.005~0.001 mm,0.25~0.05 mm区间变异性较强(表3)。
表2 土壤理化性质
表3 土壤微团聚体 (<2 mm各级团聚体百分含量)
        对于长期耕作的农业土壤来说,大尺度空间分异的主导因素是高强度的人类活动,而灌溉方式、土壤质地、地形等因素会形成较小尺度的空间分异,而土壤Cd污染分布不均,进一步影响土壤理化性质的差异,其中土壤化学性质的空间异质性要强于物理性质。本研究结果表明,在2 hm2范围的农田内,土壤理化性质表现出空间变异性,其变异性顺序表现为速效钾>有效磷>阳离子交换量>有机质>碱解氮>容重>pH,这与时雷雷和张春华等研究结果一致。因为土壤是一个综合体,土壤生物空间异质性变化也将影响其理化性质。
 
        3.土壤微生物和酶活性差异性分析
        表4为土壤的生物和酶活性。土壤微生物总量表现为细菌(1.7×106 CFU/g)>放线菌(1.3×105CFU/g)>真菌(6.4×103 CFU/g),其中土壤细菌的变异最大,其次是放线菌,最后是真菌,均属中等变异程度,并均达正偏度。土壤酶活性表现为脲酶(35.69 mg/(g·24h))>过氧化氢酶/(4.80 mg(g·h))>蔗糖酶(1.81 mg/(g·24 h))>酸性磷酸酶(1.22 mg/(g·24 h)),除过氧化氢酶变异性较小外,脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶均属中等变异程度,脲酶和过氧化氢酶为负偏度,而脲酶和酸性磷酸酶为正偏度,同时酸性磷酸酶分布曲线呈尖顶峰度(峰度>3),为尖顶曲线。
表4 土壤微生物和酶活性
        高浓度的重金属能够对土壤微生物产生胁迫,降低其生物量。张雪晴等研究发现,土壤中微生物的生物量随着重金属污染程度的增加而明显下降,群落多样性也降低。不同种类微生物对重金属的敏感程度不同而产生不同的耐性,本试验发现土壤细菌的变异最大,其次是放线菌,最小是真菌。刁展]研究发现,土壤微生物对镉的耐受程度均表现为真菌>放线菌>细菌;刘莎莎等研究表明,在多数情况下,脲酶对重金属污染的敏感程度大于酸性磷酸酶,脱氢酶的敏感性大于过氧化氢酶,与本研究结果一致。重金属污染引起的酶活性降低是因为重金属降低了酶的生物合成,从而抑制了微生物生长,并不是直接对酶的抑制作用引起的。
 
        4.土壤理化性质、微生物数量和酶活性相关性分析
        Cd污染稻田土壤理化性质、微生物和酶活性相关性分析见图1。可知:它们之间具有较明显的相关性。土壤pH、砂粒、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶与土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶均呈较强的负相关;而土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶之间均呈较强的正相关;土壤容重、细菌和放线菌相关性较小。总的来说,物理特性与土壤的大部分养分元素的含量息息相关。不同土壤理化指标与土壤微生物及酶活性的相关性是不同的。pH对蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶有促进作用,而对真菌和脲酶有抑制作用,反映了土壤酸碱环境与生物学性状的关系。碱解氮对土壤脲酶有促进作用,反映了脲酶主要对氮素的转化作用。从土壤阳离子交换量来看,一般来说,有机质能够吸附较多的阳离子,有机质含量越高,阳离子相对含量也越高。
        注:不同颜色表示变量间相关性的强度,根据最右边的颜色带来看,越接近蓝色说明正相关性越高,越接近红色说明负相关性越高,其中圆形的大小也表征了相关性的大小。
图1 土壤理化性质、微生物和酶活性相关系数矩阵
 
         5.土壤理化性质主成分分析
        通过主成分分析Cd污染稻田土壤pH、有机质、容重、阳离子交换量、速效钾、有效磷和碱解氮7个理化性质指标,结果见表5。可知:主成分1、2、3的贡献率分别为72.23%、16.89%、7.36%,这3个主成分保留了Cd污染稻田土壤理化性质的大部分信息。由表5可知:主成分1中土壤pH权重系数较大,可用来表征Cd污染稻田的土壤环境信息;主成分2中,土壤有机质、容重和碱解氮权重系数较大;主成分3中,土壤有效磷和碱解氮权重系数均较大,说明pH、有机质、容重、速效钾和碱解氮是土壤理化性质的关键因子,以及养分循环和流动的载体。尹继清等的研究表明,土壤pH和有机质是土壤理化性质的关键因子,能直接影响土壤的特性,还间接作用于植被的生长,进而影响植物分布。
表5 土壤理化性质主成分分析
 
03结 论
        1)早稻土壤中总Cd平均含量为0.37 mg/kg,超标率为100%,有效Cd平均含量为0.22 mg/kg,糙米中Cd平均含量为0.13 mg/kg,超标率为0。晚稻土壤中总Cd平均含量为0.35 mg/kg,超标率为75%,有效Cd平均含量为0.23 mg/kg,糙米中Cd平均含量为0.66 mg/kg,超标率为100%。变异系数表现为糙米Cd>土壤有效态Cd>土壤总Cd;晚稻土壤总Cd、有效态Cd和糙米Cd含量大于早稻。早稻土壤除总Cd变异性较小外,其余形态均属于中等变异强度。
        2)本研究稻田土壤pH平均值为5.19,属于酸性土壤,变异系数较小;土壤有机质、容重、阳离子交换量、速效钾、有效磷和碱解氮平均值分别为31.29 g/kg、1.06 kg/m3、7.88 cmol/kg、166.35 mg/kg、166.35 mg/kg、62.00 mg/kg和165.57 mg/kg,除容重(9.93%)变异性较小外,均属于中等变异强度(22.82%~35.60%)。机械组成变异系数呈砂粒>粉粒>黏粒,变异性较强,属中等变异强度(11.87%~19.35%);各级微团聚体均属中等变异强度(10.54%~35.60%)。微生物中细菌的变异最大,其次是放线菌,最后是真菌,属中等变异强度(52.59%~84.64%)。酶活性除过氧化氢酶(5.61%)变异性较小外,脲酶、脲酶和酸性磷酸酶属中等变异强度(28.11%~38.21%)。
        3)相关性分析表明:土壤pH、砂粒、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶与土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶之间表现出拮抗作用;而土壤有机质、阳离子交换量、黏粒、有效磷、速效钾、真菌和脲酶之间表现出协同作用;土壤容重、细菌和放线菌相关性较小。通过主成分分析发现:pH、有机质、容重、速效钾和碱解氮是土壤理化性质的关键因子。
 
来源:周利军,林小兵,武琳,黄欠如,俞莹,张鸿燕,郭乃嘉,张云,刘晖.镉污染稻田土壤理化性质、微生物及酶活性的差异性分析[J].环境工程.2020,38(10):202-206,227