有機肥中重金屬對菜田土壤微生物群落代謝的影響

林 輝，孫萬春，王 飛，王斌，翁 穎，馬軍偉*，符建榮

（1.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，杭州3 10021；2.寧波市種植業管理總站，浙江 寧波 315012；3.鄞州區農林局，浙江 寧波 315100；4.慈溪市農業監測中心，浙江 寧波 315310）

有機肥中重金屬對菜田土壤微生物群落代謝的影響

林 輝1，孫萬春1，王 飛2，王斌3，翁 穎4，馬軍偉1*，符建榮1

（1.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，杭州3 10021；2.寧波市種植業管理總站，浙江 寧波 315012；3.鄞州區農林局，浙江 寧波 315100；4.慈溪市農業監測中心，浙江 寧波 315310）

基于慈溪掌起鎮的蔬菜施肥試驗，結合常規理化分析和MicroRESPTM方法，在2年4次施肥后，分析不施肥（CK）、重金屬達標商品有機肥（T1）和Pb-As-Cu-Zn添加有機肥（T2）施用土壤的基本理化性質、重金屬累積以及微生物群落代謝特征，探討重金屬對施用有機肥土壤微生物群落代謝特征的影響。結果表明，T1和T2顯著提高了旱地蔬菜輪作土壤有機質和部分養分含量，且二者無顯著差異。但從重金屬含量上看，T2土壤Cu、Zn全量以及有效態Cu、Zn、As含量顯著高于T1和CK土壤。基于MicroRESPTM的微生物群落代謝特征分析指出，與CK相比，T1顯著促進了土壤基礎呼吸作用和微生物代謝功能多樣性，T2卻無類似的促進效果，可見T2土壤Cu、Zn和有效態As含量的大幅增加削弱了有機肥中有機質等養分對土壤微生物的促進作用。主成分和聚類分析進一步表明，T1與T2土壤的微生物群落水平生理指紋圖譜（CLPP）存在明顯差異，T2土壤中重金屬及其有效性的增加誘導檸檬酸、蘋果酸和草酸等羧酸代謝利用增強。綜上，畜禽糞便有機肥對菜田土壤微生物群落代謝的作用同時受到有機肥本身及其殘留重金屬的影響，有機肥中過高的重金屬殘留會改變有機肥養分對土壤微生物代謝的影響。

畜禽糞便；有機肥；菜田土壤；重金屬；土壤微生物群落功能

現代養殖生產中，飼料添加劑的大量使用，使得大規模集約化養殖的畜禽糞便與傳統分散養殖的畜禽糞便在成分、性質等方面都有了較大的改變，甚至導致有機肥料質量發生根本性的轉變，其中畜禽養殖源有機肥料中重金屬污染值得高度關注[1-2]。2005年，劉榮樂等[3]、黃鴻翔等[4]對我國8省市有機肥中重金屬的調研報告指出，與20世紀90年代初相比，當前部分有機廢棄物中的重金屬含量增加顯著，例如雞糞和豬糞中Zn、Cu、Cr、Cd、As、Hg以及牛糞中Zn、Cu、As、Hg，豬雞糞中的Cu、Zn含量甚至增加了將近12倍[5]。伴隨有機肥的施用，這些重金屬可以在土壤中累積、遷移。在通常情況下，土壤中的重金屬保持在一定濃度范圍內，并不表現出對環境或者作物的明顯影響，但是重金屬含量超過土壤的承載能力時，就會表現出一系列的危害，例如在作物中累積，降低土壤質量等[6-8]。

土壤微生態是土壤的重要組成部分，也是土壤健康的主要內容，是評價土壤質量的生物學指標之一。土壤微生物的代謝行為可以在一定程度上反映土壤活力和質量，也與土壤生態系統平衡維系密切相關[9]。相對于土壤動物和植物，土壤微生物對重金屬脅迫更加敏感[10]。重金屬對土壤微生物生物量[11-12]、生理生態參數[13-14]、呼吸強度[13]、微生物群落代謝功能[12]以及結構[11，15]的影響均有報道，總的來講，重金屬對土壤微生物多樣性及代謝的影響多為抑制效應。Sheik等[16]分析不同制革廠周邊采集的土壤樣品，發現重金屬污染土壤的細菌群落多樣性顯著低于對照土壤。值得注意的是，以往多數的重金屬土壤微生態效應研究只是在重金屬單獨作用條件下得出的，較少考慮到其載體介質如污泥、有機肥的作用。但是對于農田土壤微生態系統而言，畜禽糞便及其有機肥的施用是農田土壤重金屬的主要來源[17]。因此，伴隨有機肥進入土壤的重金屬對土壤微生態的影響應該是有機肥和重金屬的綜合效應。有機肥對土壤微生物的積極作用一直是得到認可的[18-19]。在Zhen等[20]的研究報道中，復合施用有機肥和微生物肥料能夠幫助提高被破壞的低等耕地土壤質量，快速改善其土壤微生物結構，增加土壤微生物多樣性。但是在目前畜禽糞便有機肥重金屬殘留量日益增加的情況下，有機肥的土壤微生物效應又會發生何種改變卻少有報道。農業部發布的有機肥行業標準NY525—2012明確規定了商品有機肥中As、Pb等5種重金屬的限量指標，然而，重金屬達標和超標有機肥對農田土壤微生態的影響及其差異卻不明確，國內外也鮮有相關研究。事實上，以上結果的探明對于指導畜禽糞便有機肥的安全施用，評價其農用的生態風險，甚至對有機肥產業未來的發展都具有重要意義和參考價值。

本文基于慈溪掌起鎮的旱地蔬菜試驗，以經過2年4季施肥處理的土壤為研究對象，結合土壤理化分析、重金屬測定和MicroRESPTM方法，以不施肥（CK）處理為對照，分析重金屬達標商品有機肥（T1）和高重金屬殘留有機肥（T2）處理菜田土壤的基本理化性質、重金屬含量以及微生物群落代謝特征變化，研究不同重金屬殘留水平有機肥施用土壤微生物群落代謝特征差異，旨在為畜禽糞便有機肥的安全施用和生態風險評價提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

施肥定位試驗設在慈溪市掌起鎮綠佳果蔬農場，該地屬于亞熱帶氣候。土壤屬于粉砂土，pH 8.04，電導率（EC）142.0 μS·cm-1，有機質10.07 g·kg-1，全氮1.10 g·kg-1，有效磷15.61 mg·kg-1，速效鉀73.0 mg·kg-1。

試驗始于2014年，本文涉及3個試驗處理：不施肥處理（CK）；重金屬達標商品有機肥，施用量7.50 t·hm-2（T1）；重金屬添加有機肥，施用量7.50 t· hm-2（T2）。每處理小區面積20 m2，隨機排列，每處理3個重復。蔬菜連作，1年2季：2014年為結球甘藍-糯玉米輪作；2015年為雪菜-結球甘藍輪作。每季蔬菜種植前，施入有機肥，所有有機肥均作基肥施用，均勻撒施到土壤耕層（0～20 cm）。按照當地施肥習慣和作物生長情況，追施無機肥。

供試有機肥為慈溪市中慈生態肥料有限公司生產的商品有機肥和自制的重金屬添加有機肥。商品有機肥以雞糞為主要原料，其中Cu 85.44 mg·kg-1、Zn 478.45 mg·kg-1、Pb 5.4 mg·kg-1、As 2.4 mg·kg-1，低于有機肥行業標準NY 525—2012規定的最高重金屬限量值，為重金屬達標有機肥。重金屬添加有機肥以添加了一定量重金屬的雞糞為主要原料，采用與商品有機肥相同的制備方法，經過堆肥發酵、后熟和烘干等流程。重金屬添加方法為：在雞糞原料（干基計）中添加75 mg·kg-1Pb和30 mg·kg-1As，使得添加后雞糞中的Pb和As含量比商品有機肥重金屬限量標準規定提高1～2倍；考慮到在現代集約化畜禽養殖業中，超劑量使用Cu、Zn等微量元素添加劑非常普遍[5]，畜禽糞便已成為土壤中Cu、Zn的一個主要來源[17]，其對Cu、Zn在土壤中累積的年貢獻率可以達到40%和17%[17]，因此在雞糞中同時添加100 mg·kg-1Cu和500 mg·kg-1Zn，使得添加后雞糞中的Cu含量比未添加前增加1～2倍；制得重金屬超標雞糞。以上述重金屬超標雞糞制備獲得的有機肥含Cu 718.48 mg·kg-1、Zn 1 356.38 mg·kg-1、Pb 50.48 mg·kg-1、As 9.04 mg·kg-1，4種重金屬全量均顯著增加，對照NY 525—2012規定的重金屬限量要求，Pb略超標，本文將其描述為重金屬添加有機肥（Pb-As-Cu-Zn添加有機肥）。

1.2 樣品采集及處理

經2年4季作物栽培，在2015年結球甘藍收獲后，按照土壤采樣規則，在每試驗小區按照S形多點法采集0～20 cm的耕層土壤，同一小區土壤混合均勻形成一個土壤樣品。土壤樣品去除石礫、植物殘體等后，分成3份。一份土樣風干后用于土壤理化指標測定，另一份土樣先采用四分法取壓碎樣，過孔徑20目尼龍篩，隨后繼續研磨至過100目篩用于土壤元素全量分析。最后一份新鮮土樣采集后立即于4℃冷藏保存，一周內完成MicroRESPTM分析。

1.3 土壤基本理化性狀

土壤基本理化性質指標測定參照《土壤理化分析》[21]。新鮮樣本用于測定含水率、pH值、電導率（EC）。含水率采用烘箱干燥法測定；pH值和EC按1∶2.5固液比浸提，濾液分別用pH計和電導儀測定。風干樣品用于測定總碳、總氮等其他養分參數?？傆袡C碳和總氮采用元素分析儀測定；總磷采用釩鉬黃比色法測定；總鉀采用火焰光度計法測定。

1.4 重金屬測定

土壤重金屬全量測定嚴格按照《中華人民共和國農業行業標準》（NY/T 1613—2008），采用王水回流消解法進行消解。土壤有效態Cu、Pb、Zn采用DTPA（二乙三胺五乙酸）提取劑浸提后進行含量測定（GB/T 23739—2009），土壤有效態As采用0.1 mol·L-1鹽酸[22]浸提后進行含量測定。采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定Pb、Cu、Zn含量。按照《中華人民共和國國家標準》（GB/T 22105.2—2008），采用原子熒光法測定As含量。

1.5 MicroRESPTM方法

MicroRESPTM技術是一種基于土壤微生物代謝功能研究土壤微生物生態的方法，其利用土壤在不同碳源誘導下的CO2產生情況來表征土壤微生物群落水平的生理特征[23]。與傳統微生物平板培養法、Biolog微平板法和多重底物誘導呼吸法相比具有明顯優勢。MicroRESPTM技術可克服微生物平板法只能測定可培養微生物、Biolog微平板法依賴土壤懸浮液提取物和細胞后續生長情況、多重底物誘導呼吸自動化程度低等缺點，是研究原位土壤微生物群落水平生理特征的一種較為靈敏、快捷的測定方法[24]。操作步驟如下：

（1）4℃冷藏保存的土壤樣品必須預培養活化微生物：均勻稱取50 g新鮮土壤于燒杯中，根據土壤樣品含水率明確土壤濕度，將所有土壤濕度調至一致（20%～30%之間），保鮮膜封口后，25℃預培養4 d。

（2）檢測板配制：在900 mL超純水中依次加入18.75 mg甲酚紅，16.77 g氯化鉀和0.315 g碳酸氫鈉，溶解后形成指示劑。同時配制3%的純化瓊脂（Sigma），121℃滅菌20 min充分溶解，冷卻到60℃，加入2倍膠體積的指示劑，混合均勻后取150 μL指示瓊脂添加到檢測板的微孔中，配制好的檢測微孔板存放在含有堿石灰的避光干燥器里待用。

（3）檢測：將待測土壤樣品均勻添加到96孔深孔板中，并在每個深孔板中添加16種碳源底物（mg C· g-1soil water），分別為：水，0；L-丙氨酸，30；L-阿拉伯糖，30；精氨酸，30；半胱氨酸鹽酸鹽，30；檸檬酸，30；D-果糖，30；D-半乳糖，30；D-葡萄糖，30；γ-氨基丁酸，30；L-賴氨酸，30；L-蘋果酸，30；N-乙酰葡糖胺，7.5；草酸，30；原兒茶酸，7.5；海藻糖，30。將檢測板倒扣在深孔板上，用夾子固定，在25℃下培養6 h。采用酶標儀讀取570 nm波長下檢測板在土壤樣品培養前和培養后6 h的吸光值，利用吸光值差異計算CO2產生率（%）。

CO2產生率和吸光度數據標準化計算公式[23]為：

式中：At6為檢測板在培養6 h后的A570；At0為培養前（0 h）的A570；A=-0.226 5；B=-1.606，D=-6.771；WCO2為CO2產生率，μg·g-1·h-1；T為培養溫度，25℃；L為檢測板孔體積，945 μL；W為土壤鮮重；U為土壤含水率；t為培養時間，6 h。

1.6 數據處理

利用多樣性指數分析不同施肥處理對土壤微生物群落多樣性的影響。Shannon-Winner香農多樣性指數（H′）表示整個生態系統土壤微生物群落利用碳源類型的多與少，即功能多樣性。生態系統香農多樣性指數值越大，該系統的土壤微生物群落功能多樣性越高，反之則多樣性越低。Simpson辛普森多樣性指數（D）也可用于判斷細菌群落多樣性，群落中物種越多、各種個體分配越均勻則辛普森多樣性指數越高，群落多樣性越好。Simpson多樣性指數中稀有物種所起的作用較小，而普遍物種所起的作用較大。均勻度指數（E）是通過Shannon多樣性指數計算出來的均度，包含兩個因素，其一是種類數目，即豐富度，其二是種類中個體分布的均勻性。種類數目越多，多樣性越大；同樣，種類之間個體分配的均勻性增加也會使多樣性提高。

試驗數據采用Microsoft Excel 2004和SPSS 15.0統計軟件處理。不同處理差異顯著性分析采用單因素方差分析（One-way ANOVA，最小顯著差法LSD）。采用SigmaPlot 10.0作圖，SPSS 15.0作主成分分析和聚類分析。

2 結果與討論

2.1 不同施肥處理土壤理化性狀和重金屬累積差異

由表1可知，T1和T2土壤有機質、有效磷和速效鉀含量顯著高于CK，無論是重金屬達標商品有機肥還是Pb-As-Cu-Zn添加有機肥的施用均可以提高土壤有機質和部分養分含量，與以往的研究報道基本一致[18，25]。不同施肥處理土壤中的重金屬全量和有效態含量大小基本為T2＞T1＞CK。與CK土壤相比，T1土壤Cu、Pb、Zn、As全量無顯著變化，但有效Zn含量顯著增加。T2土壤中的Cu、Zn全量顯著高于CK和T1，但Pb和As全量在3個處理間無顯著差異。T2土壤中的有效Cu、有效Zn和有效As含量也顯著高于其他兩個處理?？傮w來說，2年4季的重金屬達標商品有機肥施用僅顯著增加菜地土壤有效Zn含量；同樣情況下，供試重金屬添加有機肥施用不僅顯著增加了土壤Cu、Zn全量，且使得土壤有效Cu、Zn、As含量顯著上升。

2.2 重金屬對有機肥施用土壤基礎呼吸的影響

土壤基礎呼吸可以表征土壤碳素的周轉速率及微生物的總體活性，在一定程度上反映環境脅迫情況[10，26]。圖1表示不同施肥處理下土壤微生物在不添加外源底物下的基礎呼吸。T1顯著增加了土壤基礎呼吸，而T2與CK的土壤基礎代謝無顯著差異。

表1 不同施肥處理土壤的基本理化性質和重金屬含量Table 1 The basal physic-chemical properties and heavy metal contents of soil samples from different fertilization treatments

有機肥對土壤基礎呼吸作用的促進早有報道，其一般通過增加土壤有機碳來提高土壤微生物量、土壤活性，進而增加土壤呼吸強度[27]。本文中商品有機肥施用土壤后基礎呼吸作用的增強也支持了這一結論。但是目前獲得的土壤理化和重金屬指標中（表1），我們發現T1與T2土壤僅在部分重金屬含量上存在顯著差異，T1處理刺激土壤基礎呼吸，T2處理則無明顯影響，二者的差異暗示了有機肥中重金屬殘留會改變有機肥對土壤基礎呼吸的影響。研究表明，重金屬對土壤呼吸的影響存在濃度效應，例如，低濃度的重金屬可以刺激土壤CO2釋放。這種效應的產生主要是因為在污染脅迫下，土壤微生物為了維持正常的生命活性需要更多的能量維持生理需要，最終表現為重金屬脅迫下呼吸強度增加[15]。但是，過高濃度的重金屬也可以與碳源結合形成復合物，抑制微生物代謝或者直接殺死微生物[28]，因而表現為重金屬濃度增加，呼吸強度降低。例如，在楊元根等[14]的研究中，長期暴露于低濃度Cu中的土壤微生物具有較高的呼吸速率，而暴露于高濃度Cu中的土壤微生物呼吸速率較低。因此，T1土壤中的重金屬可能由于全量或其有效態含量較低而未達到抑制濃度或者重金屬的抑制活性被有機肥中有機質等所緩解。

圖1 不同施肥處理對土壤基礎呼吸的影響Figure 1 Effects of different fertilization treatments on the soil basal respiration

已有研究證實，外源有機質進入土壤可以在一定程度上緩解重金屬脅迫導致的微生物活性、數量[15]以及微生物功能多樣性的下降[29]。相反，T2土壤中重金屬污染水平可認為已達到抑制水平，因而掩蓋或者削弱了有機肥本身對土壤基礎呼吸的促進作用。重金屬的形態與其生物毒性密切相關，一般來說，伴隨重金屬形態從不穩定向穩定遷移，其生物活性降低[30]。Ghosh等[31]研究證實，有效As對土壤基礎呼吸的抑制遠大于全As，因而T2處理所帶來的土壤有效As含量的顯著增加不容小覷，其可能是T2與T1土壤基礎呼吸差異的重要原因之一。此外，值得格外關注的是，T2土壤中Cu、Zn有效態含量和全量的顯著大幅增加。雖然Zn和Cu是植物生長必需的微量元素，但當它們在土壤中的含量超過一定限度時，也可對土壤微生物產生毒性效應。

2.3 重金屬對有機肥施用土壤微生物群落功能多樣性的影響

微生物有多種多樣的代謝方式和生理功能，可以適應各種生態環境并與其他生物相互作用。土壤微生物群落功能多樣性可以表征土壤微生物群落利用碳源類型的差異，同時在一定程度上反映土壤微生物的種類和分布情況。由表2可知，T1的Shannon指數、均勻度指數和Simpson指數最大，表明達標重金屬商品有機肥施用土壤的微生物種類最多、分布較均勻，且對碳源利用程度最高。T2土壤微生物功能多樣性指數顯著低于T1，且略低于CK。因此，施用重金屬達標商品有機肥可以增加菜田土壤的微生物群落功能多樣性，而施用重金屬高殘留有機肥無類似效應。

表2 基于MicroRespTM分析下菜地土壤微生物群落代謝多樣性指數Table 2 Diversity indices of soil microbial metabolism in vegetable soil based on MicroRespTManalysis

正如以往報道[32]，有機肥養分本身可以增加土壤微生物群落代謝多樣性。但與土壤基礎呼吸結果一致，目前商品有機肥對土壤微生物群落代謝的積極影響往往受到有機肥中殘留重金屬的制約。因此有機肥對土壤微生物群落代謝功能的影響是有機肥中有機質等養分和重金屬的綜合效應，其中T2土壤中Cu、Zn的顯著累積活化以及有效As含量上升可能掩蓋或削弱了有機肥中有機質等對微生物群落功能多樣性的促進作用。Sheik等[16]研究指出，As含量總體和微生物群落多樣性呈負相關。Li等[33]的研究表明，與健康土壤相比，Cu污染土壤的微生物群落代謝多樣性明顯下降，從而使得Cu污染土壤微生物在抵抗干濕交替變化的能力低于無Cu殘留的健康土壤。此外，高濃度Zn的生物毒性同樣不容忽視，在相同濃度下，Zn對紅壤微生物代謝多樣性等各項微生物學指標的抑制能力甚至可以高于Pb[34]。因此，土壤中Cu、Zn、As含量顯著上升均可抑制土壤微生物代謝功能。綜上認為，在Pb-As-Cu-Zn添加有機肥中的重金屬殘留水平下，2年4季的有機肥施用就可對菜田土壤造成一定風險，重金屬添加有機肥中Cu、Zn和As濃度過高是主要原因。

2.4 不同施肥處理土壤微生物群落代謝結構

為了探討不同施肥處理菜田土壤微生物群落結構變化，對不同碳源底物誘導呼吸（SIR）數據進行聚類分析，并繪制主成分分析圖譜，獲得不同處理土壤微生物群落水平的生理指紋圖譜（CLPP），結果見圖2。CK、T1和T2各聚為一類，表明不同施肥處理土壤的CLPP存在差異，即不同處理土壤具有不同的碳源利用代謝模式。相較T2與CK土壤，T1與CK土壤之間碳源底物利用模式相似性更高。由此可知，有機肥養分本身可以改變土壤微生物代謝結構，同時有機肥中重金屬殘留水平又會影響有機肥自身養分對土壤微生物代謝結構的作用。楊元根等[14]就曾指出，高濃度重金屬脅迫，例如Cu脅迫，會驅動土壤微生物對碳源的優先利用種類發生轉移。因此，有機肥及其重金屬殘留水平同時影響土壤微生物碳源利用格局。微生物不同碳源利用方式暗示著其不同的群落結構和代謝功能，必然影響土壤養分轉化和循環過程，從而影響土壤養分數量與形態。

圖2 基于MicroRESPTM底物誘導呼吸數據主成分分析和聚類分析下的不同施肥處理土壤微生物群落結構差異Figure 2 Differences in soil microbial community structure among different fertilization treatments based on principle component analysis and cluster analysis of the substrate-induced respiration data from MicroRESPTManalysis

圖3進一步比較了T1和T2處理土壤微生物群落的15種底物誘導呼吸強度（SIR碳源），發現T2土壤中SIR檸檬酸、SIRL-蘋果酸和SIR草酸大幅高于T2處理組，表明T2處理土壤中重金屬增加了土壤微生物對檸檬酸、蘋果酸和草酸等羧酸的代謝利用。參考關于Cu、Zn、As土壤微生物效應的相關文獻，我們發現本結果與楊元根等[14]、郭星亮等[35]研究不同濃度Cu對微生物碳源代謝的影響結果較為吻合。楊元根等[14]指出，高濃度Cu處理土壤微生物對氨基酸、羧酸的利用基本高于低濃度Cu處理；郭星亮等[35]以Biolog方法為檢測手段研究Cu對堆肥微生物群落代謝能力的影響，也證實低劑量Cu能提高微生物群落對高聚物類碳源的轉化而利用，而高劑量Cu則產生一定的抑制作用。相關羧酸的代謝可能是土壤微生物應答Cu脅迫的一種機制。當然，土壤中Zn和有效As含量變化也會改變土壤微生物群落代謝利用行為，但其與土壤微生物羧酸代謝之間的關系還不明確，具體影響行為亟待進一步探索。

圖3 不同處理土壤中15種碳源底物的誘導呼吸Figure 3 The 15 substrate-induced respirations in different soil treatments

3 結論

本試驗條件下，2年4季的商品有機肥和Pb-As-Cu-Zn添加有機肥施用顯著提高了旱地蔬菜輪作土壤有機質和部分養分含量，但僅有商品有機肥施用顯著促進了土壤基礎呼吸作用和微生物代謝功能多樣性。土壤Cu、Zn和有效態As含量是不同有機肥處理微生物群落代謝產生差異的主要原因，其大量添加削弱了有機肥中有機質等養分對土壤微生物的積極作用，并改變了有機肥本身對土壤微生物群落代謝結構的影響，極大刺激了土壤微生物對檸檬酸、蘋果酸和草酸的代謝。綜上，2年4季的重金屬添加有機肥施用已對菜田土壤造成風險，減少和控制有機肥中的重金屬殘留才能保證有機肥的安全施用，最大程度地發揮土壤培肥及養分替代等積極作用，同時建議在未來的有機肥標準中規定Cu和Zn的限量參考值。

[1]Wang H,Dong Y,Yang Y,et al.Changes in heavy metal contents in animal feeds and manures in an intensive animal production region of China[J].J Environ Sci,2013,25（12）：2435-2442.

[2]覃麗霞,馬軍偉,孫萬春,等.浙江省畜禽有機肥重金屬及養分含量特征研究[J].浙江農業學報,2015,27（4）：604-610.

QIN Li-xia,MA Jun-wei,SUN Wan-chun,et al.Characteristics of heavy metal and nutrient contents in livestock manure in Zhejiang Province[J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2015,27（4）：604-610.

[3]劉榮樂,李書田,王秀斌,等.我國商品有機肥料和有機廢棄物中重金屬的含量狀況與分析[J].農業環境科學學報,2005,24（2）：392-397.

LIU Rong-le,LI Shu-tian,WANG Xiu-bin,et al.Contents of heavy metal in commercial organic fertilizer and organic wastes[J].Journal of Agro-Environment Science,2005,24（2）：392-397.

[4]黃鴻翔,李書田,李向林,等.我國有機肥的現狀與發展前景分析[J].土壤肥料,2006（1）：3-8.

HUANG Hong-xiang,LI Shu-tian,LI Xiang-lin,et al.Analysis on the status of organic fertilizer and its development strategies in China[J]. Soil Fertilizer,2006（1）：3-8.

[5]李書田,劉榮樂,陜紅.我國主要畜禽糞便養分含量及變化分析[J].農業環境科學學報,2009,28（1）：179-184.

LI Shu-tian,LIU Rong-le,SHAN Hong.Nutrient contents in main animal manures in China[J].Journal of Agro-Environment Science,2009, 28（1）：179-184.

[6]Oliveira A,Pampulha M E.Effects of long-term heavy metal contamination on soil microbial characteristics[J].J Biosci Bioeng,2006,102（3）：157-161.

[7]Kumar S R,Agrawal M,Marshall F.Heavy metal contamination of soil and vegetables in suburban areas of Varanasi,India[J].Ecotoxicol Environ Saf,2007,66（2）：258-266.

[8]楊軍,鄭袁明,陳同斌,等.中水灌溉下重金屬在土壤中的垂直遷移及其對地下水的污染風險[J].地理研究,2006,25（3）：449-456.

YANG Jun,ZHENG Yuan-ming,CHEN Tong-bin,et al.Leaching of heavy metals in soil column under irrigation reclaimed water：A simulation experiment[J].Geographical Research,2006,25（3）：449-456.

[9]孫波,趙其國,張桃林,等.土壤質量與持續環境Ⅲ[J].土壤,1997, 29（5）：225-234.

SUN Bo,ZHAO Qi-guo,ZHANG Tao-lin,et al.Defining soil quality for a sustainable environmentⅢ[J].Soils,1997,29（5）：225-234.

[10]Gillera K E,Witterb E,Mcgrathc S P.Toxicity of heavy metals to microorganisms and microbial processes in agricultural soils：A review[J]. Soil Biol Biochem,1998,30（10/11）：1389-1414.

[11]Zhang C,Nie S,Liang J,et al.Effects of heavy metals and soil physicochemical properties on wetland soil microbial biomass and bacterial community structure[J].Sci Total Environ,2016,557/558：785-790.

[12]Bhattacharyya P,Mitra A,Chakrabarti K,et al.Effect of heavy metals on microbial biomass and activities in century old landfill soil[J].Environ Monit Assess,2008,136（1/2/3）：299-306.

[13]Liao M,Xie X M.Effect of heavy metals on substrate utilization pattern, biomass,and activity of microbial communities in a reclaimed mining wasteland of red soil area[J].Ecotoxicol Environ Saf,2007,66（2）：217-223.

[14]楊元根,Paterson E,Campbell C.重金屬Cu的土壤微生物毒性研究[J].土壤通報,2002,33（2）：137-141.

YANG Yuan-gen,Paterson E,Campbell C.Study on microbial toxicity of heavy metal copper[J].Chinese Journal of Soil Science,2002,33（2）：137-141.

[15]蔣艷梅.重金屬Cu、Zn、Cd、Pb復合污染對稻田土壤微生物群落結構與功能的影響[D].杭州：浙江大學,2007.

JIANG Yan-mei.Effect of the combined pollution of heavy metals microbial community structure and function in paddy soil[D].Hangzhou：Zhejiang University,2007.

[16]Sheik C S,Mitchell T W,Rizvi F Z,et al.Exposure of soil microbial communities to chromium and arsenic alters their diversity and structure[J].PloS One,2012,7（6）：e40059.

[17]Nicholson F A,Smith S R,Alloway B J,et al.An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J].Sci Total Environ,2003,311（1/2/3）：205-219.

[18]Lynch D H,Voroney R P,Warman P R.Soil physical properties and organic matter fractions under forages receiving composts,manure or fertilizer[J].Compost Sci Util,2005,13（4）：252-261.

[19]祝英,王治業,彭軼楠,等.有機肥替代部分化肥對土壤肥力和微生物特征的影響[J].土壤通報,2015,46（5）：1161-1167.

ZHU Ying,WANG Zhi-ye,PENG Yi-nan,et al.Changes of soil nutri-ents and microbial communities under the condition of organic fertilizers replacing part of chemical fertilizers[J].Chinese Journal of Soil Science,2015,46（5）：1161-1167.

[20]Zhen Z,Liu H,Wang N,et al.Effects of manure compost application on soil microbial community diversity and soil microenvironments in a temperate cropland in China[J].PLoS One,2014,9（10）：e108555.

[21]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上?？茖W技術出版社,1978.

Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences.Analytical methods of soil physical and chemical properties[M].Shanghai：Shanghai Science and Technology Press,1978.

[22]張傳琦,程麗婭,黃勤,等.ICP_MS法測定土壤中有效態砷的研究[J].分析試驗室,2011,30（7）：83-86.

ZHANG Chuan-qi,CHENG Li-ya,HUANG Qin,et al.Study on determination of available arsenic in soil by ICP-MS[J].Chinese Journal of Analysis Laboratory,2011,30（7）：83-86.

[23]Campbell C D,Chapman S J,Cameron C M,et al.A rapid microtiter plate method to measure carbon dioxide evolved from carbon substrate amendments so as to determine the physiological profiles of soil microbial communities by using whole soil[J].Appl Environ Microbiol,2003, 69（6）：3593-3599.

[24]陳曉娟,袁圓,吳小紅,等.不同耕地利用方式下土壤微生物活性及群落結構特性分析：基于PLFA和MicroRESPTM方法[J].環境科學,2013,34（6）：2375-2382.

CHEN Xiao-juan,YUAN Yuan,WU Xiao-hong,et al.Microbial activity and community structure analysis under the different land use pattens in farmland soils：Based on the methods PLFA and MicroRespTM[J]. Environmental Science,2013,34（6）：2375-2382.

[25]張淑香,張文菊,沈仁芳,等.我國典型農田長期施肥土壤肥力變化與研究展望[J].植物營養與肥料學報,2016,21（6）：1389-1393.

ZHANG Shu-xiang,ZHANG Wen-ju,SHEN Ren-fang,et al.Variation of soil quality in typical farmlands in China under long-term fertilization and research expedition[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2016,21（6）：1389-1393.

[26]Page A L,Miller R H.Methods of soil analysis,Part 2：Chemical and microbiological properties[M].Madison,WI：American Society of A-gronomy,1982：831-871.

[27]Peacock A D,Mullen M D,Ringelberg D B,et al.Soil microbial community responses to dairy manure or ammonium nitrate applications[J]. Soil Biol Biochem,2001,33（7/8）：1011-1019.

[28]Landi L,Renella G,Moreno J L,et al.Influence of cadmium on the metabolic quotient,L-：D-glutamic acid respiration ratio and enzyme activity：microbial biomass ratio under laboratory conditions[J].Biol Fert Soils,2000,32（1）：8-16.

[29]謝文軍,周健民,王火焰.重金屬Cu2+、Cd2+及氯氰菊酯對不同施肥模式土壤微生物功能多樣性的影響[J].環境科學,2008,29（10）：2919-2924.

XIE Wen-jun,ZHOU Jian-min,WANG Huo-yan.Influence of Cu2+, Cd2+and cypermethrin on microbial functional diversity in different fertilization soils[J].Environmental Science,2008,29（10）：2919-2924.

[30]劉清,王子健,湯鴻霄.重金屬形態與生物毒性及生物有效性關系的研究進展[J].環境科學,1996,17（1）：89-92. LIU Qing,WANG Zi-jian,TANG Hong-xiao.Process in research on relationship between heavy metal species and its biotoxicity and bioavailability[J].Environmental Science,1996,17（1）：89-92.

[31]Ghosh A K,Bhattacharyya P,Pal R.Effect of arsenic contamination on microbial biomass and its activities in arsenic contaminated soils of Gangetic West Bengal,India[J].Environ Int,2004,30（4）：491-499.

[32]Zhong W H,Gu T,Wang W,et al.The effects of mineral fertilizer and organic manure on soil microbial community and diversity[J].Plant Soil,2010,326（1/2）：511-522.

[33]Li J,Wang J T,Hu H W,et al.Copper pollution decreases the resistance of soil microbial community to subsequent dry-rewetting disturbance[J].J Environ Sci,2016,39：155-164.

[34]滕應.重金屬污染下紅壤微生物生態特征及生物學指標研究[D].杭州：浙江大學,2003.

TENG Ying.Study on microbial ecological characteristics and biological indexes in red soils polluted by heavy metals[D].Hangzhou：Zhejiang University,2003.

[35]郭星亮.重金屬Cu、Zn對堆肥過程中微生物群落代謝和水解酶活性的影響[D].楊凌：西北農林科技大學,2011.

GUO Xing-liang.Effects of heavy metal Cu and Zn on microbial community metabolic profiles and hydrolytic enzyme activities in composting[D].Yangling：Northwest Agriculture&Forestry University,2011.

Effects of heavy metal within organic fertilizers on the microbial community metabolic profile of a vegetable soil after land application

LIN Hui1,SUN Wan-chun1,WANG Fei2,WANG Bin3,WENG Ying4,MA Jun-wei1*,FU Jian-rong1
（1.Institute of Environment,Resources,Soil and Fertilizers,Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou 310021,China;2.Plant Management Bureau of Ningbo,Ningbo 315012,China;3.Agriculture and Forestry Bureau of Yinzhou District,Ningbo 315100,China;4.A-gricultural Monitoring Center of Cixi City,Ningbo 315310,China）

This study investigated the effect of heavy metals in organic fertilizer on the metabolic characteristics of soil microbial community on the basis of a vegetable fertilization experiment,which was carried out in Zhangqi Town,Cixi City.Vegetable planting and fertilization were performed twice each year.Three fertilization treatments were included：CK treatment with no fertilizer;T1 treatment with a manure fertilizer having heavy metal levels within the safe limit set by China;T2 treatment with a manure fertilizer having an increased level of Pb, As,Cu and Zn.After two years,soil physic-chemical properties,soil heavy metals and metabolic characteristic of soil microbial community were measured by using both conventional soil analysis method and MicroRESPTMtechnology.Results indicated that both T1 and T2 significantly increased the soil content of organic matter,available phosphorus and available potassium.Although there is insignificant differencein soil physic-chemical properties between T1 and T2,T2 had significantly higher contents of total Cu,total Zn,available Cu,available Zn and available As in soil.Microbial community metabolic profile analysis based on the MicroRESPTMmethod showed that T1 significantly enhanced the basal respiration and the functional diversity of microbial community in soil;but T2 did not show similar enhancement.Thus,the increased level of Cu,Zn and available As in T2 soil might reduce the positive effect of nutrients within manure on soil microbial community.Principle component analysis and cluster analysis results further showed that the community level physiological profile（CLPP）in T1 soil was apparently different from that in T2 soil.The highly accumulated heavy metals and their increased availability in T2 soil enhanced the utilization of citric acid,malic acid and oxalic acid in soil.In conclusion,the effect of manure fertilizer on the metabolic function of soil microbial community was related to both manure nutrients and its residual heavy metal.The application of manure fertilizer with excessive residual heavy metal would change the effect of manure nutrients on soil microbial community.

livestock manure;organic fertilizer;vegetable soil;heavy metal;soil microbial community function

S154.3

A

1672-2043（2016）11-2123-08

10.11654/jaes.2016-0674

2016-05-15

浙江省自然科學基金項目（LY14C150002）；寧波市科技計劃項目（2013C11024）；2013年鄞州區省農科院合作項目;公益性行業（農業）專項（201303091）

林輝（1986—），女，博士，助理研究員，主要研究方向為農業環境微生物。E-mail：lin82774872@163.com

*通信作者：馬軍偉E-mail：majw@mail.zaas.ac.cn

林輝，孫萬春，王飛，等.有機肥中重金屬對菜田土壤微生物群落代謝的影響.題目[J].農業環境科學學報,2016,35（11）：2123-2130.

LIN Hui,SUN Wan-chun,WANG Fei,et al.Effects of heavy metal within organic fertilizers on the microbial community metabolic profile of a vegetable soil after land application[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（11）:2123-2130.