污灌區(qū)土壤微生物數(shù)量及其與土壤因子的關(guān)系

韓文輝 趙 穎 熊 蓮

(山西省環(huán)境科學(xué)研究院，太原 030027)

污灌區(qū)土壤微生物數(shù)量及其與土壤因子的關(guān)系

韓文輝 趙 穎 熊 蓮

(山西省環(huán)境科學(xué)研究院，太原 030027)

為了解污灌區(qū)土壤因子對(duì)微生物數(shù)量的影響，本文以太原市小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤作為研究對(duì)象，通過(guò)逐步回歸分析、相關(guān)性分析和通徑分析對(duì)微生物數(shù)量和土壤因子的關(guān)系進(jìn)行研究。研究表明，放線菌數(shù)量達(dá)2.1×105～9.5×105cfu/g，細(xì)菌數(shù)量達(dá)8.0×108～24×108cfu/g，真菌數(shù)量達(dá)2×103～54×103cfu/g，細(xì)菌數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；逐步回歸分析顯示，速效鉀、有效磷和全鉀、鎘和速效鉀是影響污灌區(qū)放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量的主要因子；相關(guān)性分析顯示，放線菌數(shù)量與速效鉀呈極顯著正相關(guān)，細(xì)菌數(shù)量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關(guān)，與陽(yáng)離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，真菌數(shù)量與鎘呈顯著正相關(guān)；通徑分析顯示，速效鉀、有效磷和全鉀、鎘和速效鉀是影響放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量的主要因子。土壤微生物與土壤因子之間存在著不同程度的關(guān)系，而鉀、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬是影響污灌區(qū)土壤微生物的主要因子。

污灌區(qū)；微生物數(shù)量；土壤因子；通徑分析；相關(guān)性分析

污水灌溉作為一種污水再利用的方式已得到廣泛的應(yīng)用，該方式對(duì)保護(hù)水資源有一定益處，但其產(chǎn)生的污染不僅危害植物生長(zhǎng)，而且對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生明顯不良影響。一旦土壤生態(tài)系統(tǒng)遭受污染，其微生物的種群結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)、生理生化性質(zhì)以及酶系統(tǒng)活性都會(huì)有相應(yīng)變化[1-2]。土壤微生物是土壤中最為活躍的因素之一，其數(shù)量和組成與作物的生長(zhǎng)有著密切的關(guān)系，尤其是在作物根部周圍的微生物，能直接將根系周圍的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為作物可吸收利用的無(wú)機(jī)物，并產(chǎn)生生長(zhǎng)刺激素和抗生素，從而抑制病原微生物生長(zhǎng)，刺激作物生長(zhǎng)[3]。國(guó)外關(guān)于污灌在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究較多，主要集中于種植作物種類、灌溉方式對(duì)微生物的影響[4-6]，國(guó)內(nèi)在這方面研究還處于起步階段，大多數(shù)通過(guò)室內(nèi)微宇宙實(shí)驗(yàn)過(guò)程添加污染物模擬污染土壤，研究其單一組分或人為組合混合物對(duì)土壤微生物活性的影響[7]。但在自然狀態(tài)下，環(huán)境因子和含多種污染物的污水對(duì)土壤微生物的影響是多種因子綜合作用的結(jié)果，因此原位采樣研究更能真實(shí)反映污水灌溉對(duì)土壤微生物的影響。

太原位于山西省境中央，太原市小店污灌區(qū)有30多年的引污灌溉歷史[8]，現(xiàn)有近40萬(wàn)畝污灌農(nóng)田。小店區(qū)污水經(jīng)由小店區(qū)境內(nèi)的幾條大干渠，通過(guò)網(wǎng)羅密布的支渠、斗渠、毛渠輸送到各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田。渠內(nèi)污水用水主要來(lái)自太原市區(qū)的生活污水、還有部分經(jīng)處理的工業(yè)廢水，近年來(lái)，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，沿途一些企業(yè)每年向鄰近退水渠排放一定數(shù)量的工業(yè)廢水，使污水的成分變得更加復(fù)雜。目前關(guān)于小店污灌區(qū)的研究多集中于在土壤污染水平背景調(diào)查[9-11]和水污染狀況調(diào)查[12-14]，而關(guān)于該地區(qū)污灌土壤污染對(duì)微生物的影響卻鮮有報(bào)道。

據(jù)此，本文研究了太原市小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬、多環(huán)芳烴、化學(xué)指標(biāo)和放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量，并通過(guò)逐步回歸分析、相關(guān)性分析和通徑分析研究微生物數(shù)量和土壤因子的關(guān)系，旨在揭示污灌區(qū)土壤因子對(duì)微生物數(shù)量的影響，為污染土壤的質(zhì)量評(píng)價(jià)和生物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

本研究于2015年9月在灌區(qū)的3條污灌渠附近采集供試土樣，采樣點(diǎn)位按污水渠流向采用網(wǎng)格布點(diǎn)法布設(shè)，同時(shí)考慮污水水質(zhì)、土壤類型、污灌歷史等因素，共布設(shè)35個(gè)采樣點(diǎn)，取0～10cm表層土壤，同時(shí)，采取非污灌區(qū)道巴地區(qū)土樣作為監(jiān)測(cè)背景值，記作CK，對(duì)采集的土樣進(jìn)行肥力指標(biāo)和污染指標(biāo)的含量測(cè)定，以評(píng)估研究區(qū)的污染程度，各區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)量分布如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.2 分析測(cè)試方法

分析項(xiàng)目：∑PAHs、總砷(As)、總汞(Hg)、總鎘(Cd)、總鉛(Pb)、總鉻(Cr)、總銅(Cu)、總鋅(Zn)；有機(jī)質(zhì)(SOM)、全磷(TP)、有效磷(AvP)、全鉀(TK)、速效鉀(AvK)、全氮(TN)、堿解氮(AvN)；細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量。

重金屬測(cè)定方法：土壤樣品風(fēng)干后過(guò)100目尼龍篩，用HNO3-H2O2法消煮后測(cè)定As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn、Zn含量；硝酸-鹽酸混合液(體積比1∶1)于沸水浴中消煮2h后用于測(cè)定 Hg含量。消煮液中Cd含量用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定；Cr、Cu、Pb、Mn、Zn含量用火焰-原子吸收光譜法測(cè)定；As、Hg 含量用原子熒光法測(cè)定。分析過(guò)程所用試劑均為優(yōu)級(jí)純。所有測(cè)定均由空白樣和加標(biāo)回收樣進(jìn)行質(zhì)量控制，各種重金屬的回收率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

多環(huán)芳烴測(cè)定：將土樣進(jìn)行萃取、凈化后，進(jìn)行分析；采用島津GCMS-QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)PAHs各組分進(jìn)行定性與定量分析。色譜柱為DB-5MS毛細(xì)柱(30m×0.25mm×0.25μm)；載氣為高純氦氣；流速1.2mL/min；進(jìn)樣口溫度290℃；氣相色譜與質(zhì)譜接口溫度為300℃；柱溫升溫程序?yàn)椋撼跏贾鶞貫?0℃，保持2min，以15℃/min 升溫到250℃，然后以5℃/min升溫到290℃，保持10min；進(jìn)樣量1μL。

有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、全氮、堿解氮測(cè)定：采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 放線菌、細(xì)菌、真菌的數(shù)量

通過(guò)測(cè)定微生物數(shù)量，發(fā)現(xiàn)放線菌數(shù)量達(dá)2.1×105～9.5×105cfu/g，細(xì)菌數(shù)量達(dá)8.0×108～24.0×108cfu/g，真菌數(shù)量達(dá)2.0×103～54.0×103cfu/g。細(xì)菌數(shù)量最多，放線菌次之，真菌最少，土壤細(xì)菌數(shù)量在微生物總數(shù)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 不同采樣點(diǎn)處土壤微生物數(shù)量
(Y1：放線菌(×105cfu/g)；Y2：細(xì)菌(×108cfu/g)；Y3：真菌(×103cfu/g)；X1：pH；X2：電導(dǎo)率(μs/cm)；X3：有機(jī)質(zhì)(g/kg)；X4：全磷(mg/kg)；X5：有效磷(mg/kg)；X6：全鉀(g/kg)；X7：速效鉀(g/kg)；X8：全氮(mg/kg)；X9：陽(yáng)離子交換量(cmol/kg)；X10：堿解氮(mg/kg)；X11：砷(mg/kg)；X12：汞(mg/kg)；X13：鎘(mg/kg)；X14：鉻(mg/kg)；X15：鉛(mg/kg)；X16：PAHs)

編號(hào)微生物數(shù)量Y1Y2Y3土壤因子X(jué)1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X1617.512.013.07.99219.0027.001161.8941.907.380.18622.538.7694.4011.610.130.2162.4921.653.9923.316.07.08.08174.6017.00885.7350.407.390.14620.987.6494.6011.630.220.1678.7332.129.8935.623.013.07.96136.3017.501166.4070.0019.460.15628.1210.30125.0013.710.110.4862.9721.7025.3043.921.05.07.911141.0020.00935.6063.6017.600.14589.8410.70108.9011.360.110.2555.8716.3910.5654.115.215.07.53818.0015.00995.1444.807.230.13626.769.4483.2017.570.110.1752.2415.382.8462.124.03.08.02167.7011.001428.9574.6219.300.13613.148.23141.0012.970.380.23100.0953.6533.6879.516.018.07.93118.5016.301160.5347.407.700.22647.889.6095.808.810.120.1659.9429.675.1386.419.054.07.96161.1019.90996.4749.1017.190.20604.268.89102.0012.490.130.5366.2626.334.95969.220.08.06105.6026.00917.2917.785.500.15564.202.4035.0010.920.090.4744.619.851.70104.98.02.08.26117.1025.00833.7615.334.900.14578.201.6812.5010.240.070.1147.989.950.63

2.2 土壤微生物與土壤因子間的逐步回歸分析

為進(jìn)一步探明影響土壤微生物數(shù)量的主要土壤影響因子，通過(guò)SPSS19.0對(duì)微生物數(shù)量和土壤因子進(jìn)行逐步回歸分析，得到以下3個(gè)回歸方程：

其中方程(1)、(2)達(dá)極顯著水平(prob<0.01)，方程(3)達(dá)顯著水平(prob<0.05)。

可以看出：①土壤速效鉀、鉻含量明顯影響土壤放線菌的數(shù)量，速效鉀含量增加，放線菌數(shù)量增加，鉻含量增加，放線菌數(shù)量減少。②土壤有效磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量明顯影響土壤細(xì)菌的數(shù)量，有效磷、全鉀含量增加，細(xì)菌數(shù)量增加，有機(jī)質(zhì)含量增加，細(xì)菌數(shù)量減少。③土壤鎘、速效鉀含量明顯影響土壤真菌的數(shù)量，鎘、速效鉀含量增加，真菌數(shù)量增加。

2.3 土壤微生物與土壤因子間的通徑分析

由于各個(gè)土壤因子的數(shù)量變化范圍不同，從逐步回歸模型中還不能直觀地看出哪個(gè)因子對(duì)微生物數(shù)量的直接影響最明顯，而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的方法計(jì)算通徑系數(shù)，將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)與間接通徑系數(shù)的代數(shù)和。通過(guò)比較直接通徑系數(shù)，就能直觀地看出各個(gè)因子對(duì)微生物數(shù)量的作用。本文通過(guò)SPSS19.0對(duì)放線菌、細(xì)菌、真菌進(jìn)行通徑分析，其主要分析過(guò)程是：①分析各土壤因子之間的相關(guān)性和各土壤因子與細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的相關(guān)性；②分析土壤因子與細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的一般線性回歸關(guān)系；③在一般線性回歸模型達(dá)顯著水平的條件下，進(jìn)行通徑分析，計(jì)算直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)(表2、3、4)；④比較直接通徑系數(shù)，確定主要的影響因子。

2.3.1 土壤微生物與土壤因子間相關(guān)性分析

本文首先對(duì)土壤放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量和土壤因子的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，由相關(guān)性分析結(jié)果可知，放線菌數(shù)量與速效鉀呈極顯著正相關(guān)；細(xì)菌數(shù)量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關(guān)，與陽(yáng)離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌數(shù)量與鎘呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明土壤微生物數(shù)量與土壤因子在一定程度上關(guān)系密切，土壤養(yǎng)分是保證土壤微生物生長(zhǎng)和發(fā)育的基本條件，土壤水分有利于可溶性有機(jī)質(zhì)的淋溶，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，土壤酸堿度可影響土壤中物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)、微生物活性和養(yǎng)分的有效性。

2.3.2 土壤微生物與土壤因子間的一般線性回歸分析

本文對(duì)土壤微生物與土壤因子間的一般線性回歸也進(jìn)行計(jì)算分析。分析結(jié)果顯示，放線菌、細(xì)菌、真菌的回歸模型均達(dá)到顯著水平(P值分別為0.001，0.000003，0.033)，因此可對(duì)這三種微生物的回歸模型進(jìn)行通徑分析。

2.3.3 土壤微生物與土壤因子間的通徑分析

本文通過(guò)SPSS19.0對(duì)放線菌、細(xì)菌、真菌進(jìn)行通徑分析，具體見(jiàn)表2、表3和表4。

表2 土壤因子對(duì)放線菌的通徑分析

自變量xi與因變量y之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)(riy)=xi與y之間的直接通徑系數(shù)(Piy)+所有自變量與y的間接通徑系數(shù)，直接通徑系數(shù)為線性回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，xi與y之間的間接通徑系數(shù)=相關(guān)系數(shù)(rij)×直接通徑系數(shù)(Pjy)。

從表2看出，將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)之后，發(fā)現(xiàn)速效鉀X7對(duì)放線菌的直接作用最大，鉻含量X14次之，為負(fù)值。通過(guò)分析各間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，速效鉀X7通過(guò)鉻含量X14對(duì)放線菌產(chǎn)生正值的間接作用，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)增至0.887；鉻含量X14通過(guò)速效鉀X7對(duì)放線菌產(chǎn)生負(fù)值的間接作用，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)變?yōu)?0.457。由于速效鉀X7對(duì)放線菌數(shù)量的直接通徑系數(shù)(0.845)明顯大于鉻含量X14的(-0.358)，說(shuō)明速效鉀是影響放線菌數(shù)量的主要土壤因子。

表3 土壤因子對(duì)細(xì)菌的通徑分析

從表3看出，有效磷X5對(duì)細(xì)菌的直接作用最大，全鉀X6次之，有機(jī)質(zhì)X3的直接作用最小。通過(guò)分析各間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，有效磷X5通過(guò)全鉀X6和有機(jī)質(zhì)X3對(duì)細(xì)菌均產(chǎn)生正值的間接作用，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)增至最大為0.970；全鉀X6通過(guò)有效鉀X5和有機(jī)質(zhì)X3對(duì)細(xì)菌均產(chǎn)生正值的間接作用，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)增加為0.919；有機(jī)質(zhì)X3通過(guò)有效鉀X5和全鉀X6對(duì)細(xì)菌均產(chǎn)生負(fù)值的間接作用，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)變?yōu)?0.750。由于有效鉀X5和全鉀X6對(duì)細(xì)菌數(shù)量的直接通徑系數(shù)較大，分別為0.459和0.436，且明顯大于有機(jī)質(zhì)X3的(-0.198)，因此認(rèn)為有效鉀和全鉀是影響細(xì)菌數(shù)量的主要土壤因子。盡管有機(jī)質(zhì)含量對(duì)細(xì)菌的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)較大(-0.750)，但它對(duì)細(xì)菌的直接通徑系數(shù)很小，因此認(rèn)為有機(jī)質(zhì)對(duì)細(xì)菌數(shù)量的影響不明顯。有機(jī)質(zhì)通過(guò)有效鉀、全鉀對(duì)細(xì)菌數(shù)量的間接通徑系數(shù)分別為-0.337和-0.215，這是有機(jī)質(zhì)與細(xì)菌數(shù)量簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.750的主要原因。

表4 土壤因子對(duì)真菌的通徑分析

從表4看出，鎘X13對(duì)真菌的直接作用最大，速效鉀X7次之。通過(guò)分析各間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，雖然鎘X13通過(guò)速效鉀X7對(duì)真菌的間接作用小于速效鉀X7通過(guò)鎘X13對(duì)真菌的，但是其直接通徑系數(shù)明顯大于速效鉀X7的，使得鎘X13的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)最大為0.673，速效鉀X7的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)為0.627。由于鎘X13和速效鉀X7對(duì)真菌數(shù)量的直接通徑系數(shù)均較大，分別為0.571和0.514，因此認(rèn)為鎘和速效鉀是影響真菌數(shù)量的主要土壤因子。

逐步回歸方程(1)中包含2個(gè)因子，速效鉀是影響放線菌數(shù)量的主要因子，鉻是非主要因子；逐步回歸方程(2)中包含3個(gè)因子，有效磷和全鉀是影響細(xì)菌數(shù)量的主要因子，有機(jī)質(zhì)是非主要因子；逐步回歸方程(3中)包含2個(gè)因子，鎘和速效鉀均是影響真菌數(shù)量的主要因子，這說(shuō)明逐步回歸方程中的因子，并非都是影響微生物數(shù)量的主要土壤因子。

綜上所述，土壤微生物與土壤因子之間存在著不同程度的關(guān)系，速效鉀是影響放線菌數(shù)量的主要土壤因子，有效磷和全鉀是影響細(xì)菌數(shù)量的主要土壤因子，鎘和速效鉀是影響真菌數(shù)量的主要土壤因子，可見(jiàn)，鉀、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬是影響污灌區(qū)土壤三大微生物的主要因子。張翠英等人研究發(fā)現(xiàn)污灌土壤微生物含量與土壤有機(jī)質(zhì)、氨氮、有效磷含量相關(guān)性顯著[2]，伍麗等人研究茶樹(shù)根際土壤發(fā)現(xiàn)速效磷和pH是影響真菌、細(xì)菌的主要因子[15]，這與本研究結(jié)果相一致。

值得注意的是，鉻含量對(duì)放線菌數(shù)量的影響(-0.358)和有機(jī)質(zhì)對(duì)細(xì)菌數(shù)量的影響(-0.198)，均為負(fù)值，對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1)污灌區(qū)土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)8.0×108～24×108cfu/g，在微生物總數(shù)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

(2)逐步回歸分析表明，影響污灌區(qū)放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量的主要土壤因子分別為：速效鉀、有效磷和全鉀、鎘和速效鉀，非主要因子分別為：鉻、有機(jī)質(zhì)。

(3)相關(guān)性分析表明，放線菌數(shù)量與速效鉀呈極顯著正相關(guān)；細(xì)菌數(shù)量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關(guān)，與陽(yáng)離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌數(shù)量與鎘呈顯著正相關(guān)。

(4)通徑分析表明，影響放線菌、細(xì)菌、真菌數(shù)量的主要土壤因子分別為：速效鉀；有效磷、全鉀；鎘、速效鉀。

(5)綜上所述，鉀、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬是影響污灌區(qū)土壤微生物的主要因子。

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Soil Microbial Biomass and Its Relationship with Soil Factors in the Sewage Irrigation Area

HAN Wenhui ZHAO Ying XIONG Lian

(Shanxi Provincial Academy of Environmental Sciences，Shanxi Taiyuan 030027)

In order to know about the effects of soil factors on soil microbial biomass in the sewage irrigation area，this paper took the sewage irrigation area in Xiaodian District of Taiyuan City as the research object. Through the stepwise regression analysis，correlation analysis and path analysis，the relationship between microbial biomass and soil factors could be worked out.

sewage irrigation area；microbial biomass；soil factor；path analysis；correlation analysis

項(xiàng)目資助：國(guó)家自然科學(xué)基金(41401020，41601202)，山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2015021173)，山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150313001-2)資助

韓文輝，碩士，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究工作

趙穎，博士，高級(jí)工程師，主要從事污染土壤修復(fù)與治理

文獻(xiàn)格式：韓文輝 等.污灌區(qū)土壤微生物數(shù)量及其與土壤因子的關(guān)系[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(4)：230-233.

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1673-288X(2017)04-0230-04