污灌對農田土壤微生物特性影響研究

張翠英，汪永進，徐德蘭，王同勛

1. 江蘇省徐州工程學院環境工程學院，江蘇 徐州 221111；2. 江蘇省徐州市云龍湖水庫管理處，江蘇 徐州 221008

隨著環境污染的加劇，可利用的水資源日益減少，使農業用水受到嚴重威脅，針對這一現狀，城市污水灌溉隨之成為人們研究的熱點（Orchard，1978）。污水灌溉在一定程度上能緩解水資源緊張的局面，對保護水資源有一定的益處，還能給農作物增加產量。但由于長期污灌，可能導致對農作物造成傷害、土壤環境質量和地下水水質的下降等問題。污灌在農業方面的應用國外的研究較多，作物種類和灌溉方式不同，對水質要求也不同（Mancino和Pepper，1992；Scott等，2003）；國內在這方面研究還處于起步階段，大多數研究污灌對作物生長的影響（Feng等，2003；楊紅霞，2002）。土壤微生物是土壤中最為活躍的因素之一, 其數量和組成與作物的生長有著密切的關系，尤其是在作物根部周圍的微生物，它們能直接將根系周圍的有機物轉化為作物可以吸收利用的無機物，并且可以產生生長刺激素和抗生素，從而抑制病原微生物生長，刺激作物生長（中國科學院南京土壤研究所微生物室，1985）。

本研究從土壤微生物學的角度來探究污水灌溉對不同農田土壤中常見微生物如細菌、放線菌、真菌等和功能微生物如亞硝化細菌、硝化菌、氨氧化細菌、反硝化細菌、好氣性自生固氮菌、好氣性纖維素分解菌等數量和分布的影響，并分析污灌土壤微生物數量與土壤理化性狀的關系，旨在為農業污水灌溉的實際應用及其標準的制定提供理論依據。

1 研究區域概況

奎河發源于江蘇省徐州市銅山縣漢王鄉境內，經云龍湖水庫調蓄后進入市區。由于上游水庫平時關閉攔蓄，奎河水源主要來自徐州市沿岸130多家工廠的工業廢水和市區 34萬居民的生活污水，每日廢水量達8×104～10×104t。在干旱季節，奎河下游關閘蓄水，未經處理的污水直接用于農灌（灌溉污水COD質量濃度為51~103 mg·L-1，總氮質量濃度為0.10~0.31 mg·L-1，總磷質量濃度為0.10~0.31 mg·L-1）。引用奎河污水灌溉的土地有徐州市銅山縣三堡鎮、安徽省宿縣等，已有20多年的歷史。

2 工作方法

2.1 采樣方法

試驗地設在徐州市三堡鎮（奎河水農灌區，污灌區）及大龍口地區（對照區，清灌區），土壤為黃潮土。試驗地每區各設3個處理：大豆（Glycine max）田、玉米（Zea mays）田、水稻（Oryza.sativa）田。在處理地塊內取3個樣點土壤的樣品進行微生物區系及土壤理化性狀分析。在靠近植株根系部，去除表層0~5 cm的表土，采集5~20 cm土壤剖面，多點采集，混勻后按四分法取1 kg，裝入無菌塑料袋帶回實驗室，于4 ℃保存。

2.2 土壤中常見微生物數量測定

土壤中常見微生物按照平板計數法測定土樣中細菌（Bacteria）、放線菌（Actinomycetes）和真菌（Fungus）的數量。細菌用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌用改良高氏一號培養基，真菌用麥芽汁培養基(100 mL培養基加1滴乳酸)。

2.3 土壤中功能微生物數量測定

土壤功能微生物數量分析按照最大可能數(Most-Probable-Number，MPN)法測定土樣中亞硝化細菌(Nitrite bacteria，NOB)、硝化細菌(Nitrate bacteria，NB)、氨氧化細菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)、反硝化細菌(Denitrifying bacteria，DB)、好氣性自生固氮菌(Aerobic nitrogens-fixing bacteria，ANB)、好氣性纖維素分解菌（Cellulose decomposing bacteria，CDB）的數量n(MPN)（楊紅霞，2002）。其中亞硝化細菌、硝化細菌培養基為改良的斯蒂芬遜培養基A、B，氨氧化細菌培養基為蛋白胨氨化培養基，好氣性自生固氮菌培養基為改良阿須貝無氮培養基，好氣性纖維素分解菌培養基為赫奇遜氏培養基（李阜棣等，1996）。

2.4 土壤理化性質分析

土壤理化性狀的分析項目及方法為：(1) 土壤有機質(Organic matter，OM)測定采用重鉻酸鉀一硫酸氧化法；(2) 全氮（Total nitrogen，TN）測定采用半微量凱氏法；(3) 全磷（Total phosphorus，TP）測定采用硫酸一高氯酸一鉬銻抗比色法；(4) 氨氮(Ammonia nitrogen，AN)測定采用苯酚-次氯酸鹽比色法；(5) 有效磷(Available phosphorus，AP)測定采用碳酸氫鈉比色法（陳文新，1989；國家環境保護局水與廢水監測分析方法編委會，2002）。

3 結果與分析

3.1 污灌土壤中微生物數量的變化分析

3.1.1 污灌土壤中常見微生物數量變化分析

不同灌溉方式對土壤常見微生物數量影響見表1，由表1可知，污灌土壤中的放線菌和真菌n(cfu)均少于清灌對照組，其數量分別減少 39.78%、79.55%；而污灌土壤中的細菌n (cfu)高于清灌土壤對照組，其數量增加50.39%。T檢驗分析結果表明：清、污灌溉土壤中細菌最大可能數存在顯著差異（P<0.05），放線菌和真菌最大可能數差異均不顯著。

3.1.2 污灌土壤中的功能微生物數量的變化分析

不同灌溉方式對土壤功能微生物數量影響見表2。由表2可知，污灌土壤中亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌 n(MPN)均少于清灌對照組，其數量分別減少 63.64%、87.50%、36.76%；而氨氧化細菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌n(MPN)均高于清灌對照組，其數量分別增加100%、233.33%、364.71%。T檢驗分析結果表明：清、污灌溉土壤中氨氧化細菌和好氣性纖維素分解菌最大可能數分別存在極顯著差異（P<0.01）和顯著差異（P<0.05），亞硝化細菌、硝化細菌、反硝化細菌和好氣性自生固氮菌最大可能數差異均不顯著。

3.2 污灌對不同作物根際的微生物數量的影響

3.2.1 污灌對不同作物根際的常見微生物數量的影響

污灌地區大豆、玉米和水稻根際常見微生物數量分布見圖1。由圖1可知，在大豆根系土壤中，污灌組的細菌、放線菌和真菌 lg[n(cfu)]均大于清灌對照組，真菌存在顯著性差異（P<0.05)，細菌、放線菌差異不顯著。在玉米根系土壤中，污灌組的細菌lg[n(cfu)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，污灌組的放線菌和真菌 lg[n(cfu)]少于清灌土壤對照組，其中真菌存在顯著性差異（P<0.05)。在水稻根系土壤中，污灌組的細菌、放線菌和真菌 lg[n(cfu)]均小于清灌土壤對照組，真菌存在顯著性差異（P<0.05)，細菌、放線菌差異不顯著。由此可見，污灌對不同作物根際常見微生物數量分布影響較大，大豆根際微生物數量呈上升趨勢，玉米根際微生物數量變化不一，水稻根際微生物數量呈下降趨勢；而這3種作物根際真菌數量變化均呈顯著差異，這說明污灌對土壤真菌數量影響很大。

表1 清、污灌溉土壤中常見微生物數量[n (cfu)] /g干土的幾何均值Table 1 The geometric means of n(MPN) of the common microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

表2 清、污灌溉土壤中功能微生物最大可能數[n ( MPN)]/g干土的幾何均值Table 2 The geometric means of n(MPN) of the functional microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

3.2.2 污灌對不同作物根際的功能微生物數量的影響

污灌地區大豆田、玉米田和水稻田功能微生物數量分布見圖2。由圖2可知，在大豆根系土壤中，污灌組反硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著少于清灌土壤對照組（P<0.05)，而好氣性自生固氮菌lg[n(MPN)]和好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]均顯著高于清灌對照組（P<0.05)，亞硝化細菌、硝化細菌、氨氧化細菌數量變化均不顯著。在玉米根系土壤中，污灌組亞硝化細菌和硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著少于清灌對照組（P<0.05)，氨氧化細菌lg[n(MPN)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]極顯著高于清灌對照組(P<0.01)，反硝化細菌數量差異不顯著。在水稻根系土壤中，污灌組反硝化細菌 lg[n(MPN)]顯著高于清灌對照組(P<0.05)，亞硝化細菌和好氣性自生固氮菌lg[n(MPN)]顯著少于清灌對照組（P<0.05)，好氣性纖維素分解菌 lg[n(MPN)]極顯著高于清灌對照組(P<0.01)，硝化細菌和氨氧化細菌數量差異不顯著。由此可見，污灌對不同作物根際功能微生物數量分布影響也較大，大豆、玉米和水稻根際功能微生物數量變化各有特點，但這 3種作物根際好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數量變化均呈顯著差異，而且好氣性纖維素分解菌數量呈上升趨勢，這說明污灌對土壤好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數量影響很大，而且有利于好氣性纖維素分解菌增殖。

圖2 不同植物根際功能微生物數量變化情況Fig.2 The change of functional microorganisms number in different plants rhizosphere soil

3.3 污灌土壤微生物數量與土壤理化性狀關系

3.3.1 污灌土壤中常見微生物數量與土壤理化性狀關系

污灌土壤中常見微生物數量與土壤理化性狀相互關系見表 3。分析表明：細菌與土壤中全氮、氨氮和有機質呈正相關，其中與有機質呈顯著相關（r=0.843），放線菌與全磷呈極顯著負相關（r=-0.921），真菌與與土壤理化性狀之間均未達到顯著性。

3.3.2 污灌土壤中功能微生物數量與土壤理化性狀關系

污灌土壤中常見微生物數量與土壤理化性狀相互關系見表 4。分析表明：亞硝化細菌、硝化細菌與土壤中總氮、氨氮呈正相關，其中亞硝化細菌與氨氮呈顯著相關（r=0.973），這是因為土壤中為硝化細菌提供了充分的底物，促進其生長繁殖，是影響硝化細菌數的關鍵因素。土壤中氨氧化細菌可礦化有機氮成+供植物和微生物吸收利用，氨氧化細菌含量與土壤中的有效磷呈顯著負相關（r=-0.967）。這可能是因為氨氧化細菌、反硝化細菌在生長代謝過程中消耗土壤中較多的有效磷有關。反硝化細菌、好氣性纖維素分解菌與有機質呈正相關（r=0.220，r=0.843），因為有機物質豐富，能源充足，可有效地促進反硝化細菌、好氣性纖維素分解菌的發育，有利于土壤培肥（宋秋華等，2002）。

表3 污灌土壤中常見微生物數量與土壤理化性狀的相關系數Table 3 The correlation coefficient between the common microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

表4 污灌土壤中功能微生物數量與土壤理化性狀的相關系數Table 4 The correlation coefficient between the functional microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

4 討論與結論

4.1 討論

污灌是隨著工業、城市廢污水排放量的增加和農業用水危機的加劇而出現的，污灌的發展在一定程度上緩解了水資源短缺，但長期大規模污灌引起土壤污染等問題，表現為土壤理化性質改變（郭曉明，2012）、有機物污染和重金屬污染。污水主要含有COD、氨氮、重金屬等污染物，對土壤微生物會產生一定影響。有研究發現，利用造紙廢水污灌灘涂土壤后，土壤中細菌、放線菌和絲狀真菌的數量都有明顯增加（丁成，2003），而且在不同污染程度的土壤中，細菌多樣性指數差異顯著，最大值出現在中等污染程度土壤中（魯海燕等，2010）。本研究中，奎河污灌農田土壤細菌、氨氧化細菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數量增加，而放線菌、真菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量的數量減少，其中細菌、好氣性纖維素分解菌數量變化達顯著水平(P<0.05)，氨氧化細菌達到極顯著(P<0.01)水平。

有關污灌對農作物生長的研究較多，主要集中在產量影響、品質污染等方面（周海紅和張志杰，2001；孫志強，1998），而污灌對農作物根系微生物影響的研究很少，本文研究污灌區大豆、玉米和水稻根系微生物發現，不同作物根系土壤普通微生物和功能微生物數量變化各有特點，分布差異很大，但都呈現真菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數量變化顯著的發展趨勢。相關性分析表明，細菌與有機質呈顯著正相關（r= 0.843），這與黃明勇等對土壤微生物數量與土壤養分的關系分析結果相一致（黃明勇等，2007），放線菌與全磷呈極顯著負相關（r=- 0.921），亞硝化細菌和好氣性自生固氮菌數量與氨氮含量呈顯著正相關（r=0.973，r=0.988），氨氧化細菌和反硝化細菌與有效磷含量呈顯著負相關（r=-0.967，r=-0.988），反硝化細菌和好氣性纖維素分解菌與有機質含量呈顯著正相關（r=0.220, r=0.843）。這說明污灌對農田土壤微生物和理化特性影響顯著，而對農作物影響呈現兩面性。

4.2 結論

污灌減少農田土壤放線菌、真菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量，顯著增加細菌、氨氧化細菌和好氣性纖維素分解菌的數量；污灌區大豆、玉米和水稻根系土壤微生物數量分布差異很大，但都呈現真菌、好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌數量變化顯著的趨勢；污灌土壤中微生物含量與土壤理化性狀相關分析表明，污灌土壤中微生物含量與土壤有機質、氨氮、有效磷含量相關性顯著。

FENG S Y, QI Z M, HUANG G H. 2003. Effects of Fresh Water and Sewage Irrigation on Growth of Winter Wheat [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 22(3):11-14.

MANCINO C F, PEPPER I L. 1992. Irrigation of turfgrass withsecondary sewage effluent: Soil quality[J]. Agronomy Journal, 84(4): 650-654.

ORCHARD V A. 1978. Effect of irrigation with municipal water or sewage effluent on the biology of soil cores. (III): Actinomyceteflora[J]. New Zealand Journal of Agricultural Research, 21(1): 21-28.

SCOTT T L, JANUSZ A, PERKINS M V. 2003. Effect of amphetamine prescursors and by products on soil enzymes of two urban soils[J]. Bull Environ1 Contam1 Toxicall, 70: 824-831.

陳文新. 1989. 土壤和環境微生物學[M]. 北京: 農業出版社.

丁成. 2003. 造紙廢水污灌對土壤微生物數量動態的影響[J]. 鹽城工學院學報: 自然科學版, 16 (4) : 9-13.

郭曉明, 馬騰, 陳柳竹, 等. 2012. 污水灌溉區土壤肥力及酶活性特征研究[J]. 生態環境學報, 21(1): 78-83.

國家環境保護局水與廢水監測分析方法編委會編. 2002. 水與廢水監測分析方法[M]. 4版. 北京: 中國環境科學出版社.

黃明勇, 楊劍芳, 王懷鋒, 等. 2007. 天津濱海鹽堿土地區城市綠地土壤微生物特性研究[J]. 土壤通報, 38(6): 1131-1135.

李阜棣, 喻子牛, 何紹江. 1996. 農業微生物學實驗技術[M]. 北京: 中國農業出版社.

魯海燕, 曹靖, 楊鑫, 等. 2010. 白銀地區污灌對農田土壤細菌多樣性的影響[J]. 長春理工大學學報: 自然科學版, 33(2) : 110-116.

齊廣平. 2001. 生活污水灌溉對蘇子生長效應的影響[J]. 甘肅農業大學學報, 16(3): 329-332.

宋秋華, 李鳳民, 王俊, 等. 2002. 覆膜對春小麥農田微生物數量和土壤養分的影響[J]. 生態學報, 22( 12) : 2125-2132.

孫志強. 1998. 污水灌溉對農業環境影響的研究[J]. 生態農業研究, 6(4) :68-71.

楊紅霞. 2002. 大同市污水灌溉對農作物影響的研究[J]. 農業環境與發展, (4): 18-19.

中國科學院南京土壤研究所微生物室. 1985. 土壤微生物研究法[M]. 北京: 科學出版社.

周海紅, 張志杰. 2001. 關中清灌區農田生態系統污染現狀研究[J]. 環境污染與防治, 23 (6) : 309-328.