地質高背景土壤重金屬賦存特征及微生物群落結構差異*

孫 斌，魏志敏，張力浩，代子雯，方 成，胡 鋒，李輝信，徐 莉

（南京農業大學資源與環境科學學院/江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京 210095）

我國農田受重金屬污染嚴重，其來源包括人為源，如采礦、肥料與農藥施用、污水灌溉等，以及自然源，即自然成土過程中的地質內源影響[1]。由地質背景因素造成的土壤重金屬含量偏高，稱為地質高背景（high geological background，HGB）土壤，如鉻（Cr）與鎳（Ni）在基性巖和超基性巖發育形成的土壤中含量偏高[2]。我國地質高背景農田土壤重金屬超標率高、成因復雜且面積廣，主要分布于西南、華南、兩湖、成渝、珠江三角洲（珠三角）及長江三角洲（長三角）等地區[3]。不同地區土壤重金屬的富集類型不同，包括殘坡積型、運積型及次生富集型。成土母質的巖性、河流沖積類型以及風化侵蝕程度會影響土壤重金屬的分布特征。唐豆豆等[4]分析不同母質發育的地質高背景土壤，結果表明鎘（Cd）與砷（As）以黑色巖系發育的土壤中含量超標，而在碳酸鹽系石灰巖發育的土壤中鉛（Pb）、Cd和As含量超標。Liu等[5]發現由于水體動力學與風化侵蝕的改變，相比于以片麻巖、花崗巖為主的河流沖積物地區，高度風化的黑色頁巖地區高背景土壤中Cd極易被富集。

廣西是我國典型的重金屬次生富集區域，地層年代及母質成分主要為石炭紀碳酸鹽巖及第四紀河流沉積物，經長期風化溶蝕作用，成土母質中Pb、Cd、銅（Cu）、As等重金屬元素被黏土礦物吸附，進而大量富集于土壤中[6-7]。目前關于人為源土壤中重金屬的賦存狀態研究較多[8-9]，而對于地質背景來源的土壤重金屬污染特征方面研究較少，僅有部分研究表明地質背景土壤重金屬在生物有效性上有所降低，對生態系統的危害較輕[10]。

土壤微生物是土壤的重要組成部分，它一方面驅動著土壤有機質的形成、轉化以及土壤養分循環等；另一方面土壤微生物的活性和群落結構變化也是衡量土壤質量的重要指標[11-12]。土壤重金屬含量、賦存狀態、土壤類型與植被等均會影響土壤微生物活性和群落結構[13-15]，同時土壤微生物群落的變化對土壤重金屬污染也有敏感的指示作用。趙立君等[16]研究發現土壤微生物群落結構對不同As脅迫有明顯的響應特征，這可作為 As污染土壤質量評價的靈敏指標。而這些關于重金屬污染條件下微生物群落的研究，多集中于人為源重金屬污染土壤的研究[17-19]，對于地質高背景重金屬污染土壤中微生物活性和群落結構的研究較少。

此外，我國地質高背景農田土壤成因復雜，地質年代和母質類型多樣，普遍存在著重金屬污染機理不清，生態風險不明的現狀。因此，本研究選擇典型次生富集型地質高背景區廣西不同地層年代及不同母質類型的四種農田土壤，比較研究不同土壤中重金屬賦存狀態以及微生物活性和群落結構變化，探究地質高背景條件下影響微生物群落結構的關鍵因子，為次生富集型地質高背景農田土壤重金屬風險評估體系提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區分別位于廣西省南寧江南區蘇圩鎮（108°1′49″E，22°30′37″N）、武 鳴 縣 鑼 圩 鎮（107°58′60″E，23°19′17″N）、橫 縣 馬 嶺 鎮（109°18′55″E，22°47′2″N）和云表鎮（109°17′37″E，22°55′10″N），研究區分布示意圖如圖1。四個地區均屬于亞熱帶地區，地貌類型為典型的喀斯特地貌，是分處南寧市邕江不同流域的代表性樣區。調查資料顯示研究區均為典型地質高背景帶，鑼圩地區位于南寧市邕江北部，土壤呈弱堿性，地層及母質為第四系桂平組河流沉積物，區內富含鐵礦；蘇圩地區位于南寧市邕江南部，土壤呈酸性，地層及母質為第四系桂平組河流沉積物，區內富含鐵錳礦；馬嶺地區位于邕江下游橫縣馬嶺鎮，土壤呈弱堿性，地層及母質為中石炭統大埔組碳酸鹽巖，區內富含鐵鋁礦；云表地區位于橫縣馬嶺鎮，處于邕江下游，土壤呈酸性，地層及母質為第四系桂平組河流沉積物，區內富含鐵鋁礦。

1.2 供試土壤與樣品采集

2018年1月底，在廣西省南寧市的四個研究區選擇常年種植秈稻、無發達工業影響的地質高背景農田土壤進行采樣。采集水稻土壤表層樣品（0～20 cm），每個研究區內隨機選取三處土壤樣品裝入自封袋，4℃冰盒低溫保存運往實驗室。仔細將肉眼可見的根系、石礫和動植物殘體去除后，部分鮮樣測試樣品保存于4℃冰箱，部分土壤樣品風干過10目或磨細至100目篩用于理化指標及重金屬含量分析。

1.3 土壤重金屬含量及理化性質分析

土壤重金屬全量采用鹽酸-硝酸-高氯酸酸-氫氟酸消解，重金屬有效態采用二乙烯三胺五乙酸（Diethylene triamine pentaacetic acid，DTPA）浸提[20]，后用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS，Thermo Fisher icap Q，美國）測定Pb、 Cd、Cu 、鋅（Zn）和As的含量。分析過程中設置3組平行，以國家標準物質GSS-4控制測定質量，樣品回收率在95%以上。

采用pH計（雷磁PHS-3C型，上海）測定土壤pH，水土比2.5∶1；重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定土壤有機質含量；土壤全氮采用半微量凱氏法、全磷采用高氯酸-硫酸法參考《土壤農業化學分析方法》[21]；使用NH4OAc浸提-火焰光度計（菲樂勒FL-6480，南京）測定速效鉀含量；3NO--N和 NH+4-N采用KCl浸提，使用流動分析儀（Seal- AutoAnalyzer3，德國）測定。

1.4 土壤微生物功能多樣性分析

采用Biolog-ECO微平板法進行微生物功能多樣性分析[22-23]。稱取5 g新鮮土樣置于高壓滅菌的錐形瓶中，加入0.85%的無菌生理鹽水，封口振蕩30 min，將土壤菌懸液用無菌生理鹽水進行2次10倍稀釋。然后取150 μL稀釋液接種至ECO平板中，加蓋置于37℃恒溫培養箱中連續培養168 h，每隔24 h用美國GEN III MicroStation Biolog儀在590 nm和750 nm下對其吸光值進行測定。

每孔顏色平均變化率，AWCD（Average Well Color Development）：Biolog-ECO 微平板的每孔平均吸光值，表示土壤微生物群落碳源利用的整體能力，計算公式如下[24]：

式中，Ci為每個有培養基孔的光密度值，R為對照孔的光密度值，n為碳源的數目，Biolog生態板的碳源數目為31。

群落多樣性可由土壤微生物群落利用碳源類型的差異來體現，計算公式如下：

香農指數H反映土壤微生物群落物種變化度和差異度，指數值越大，表示微生物物種豐富度越高。

式中，Pi為第i孔相對吸光值與整板平均相對吸光值總和的比，即：

優勢度指數D常用于評估某些常見物種的優勢度。

豐富度指數S=碳源代謝孔的總數目（微孔的光密度值大于等于0.25，則認為該孔碳源被利用，即為碳源代謝孔）。

均勻度指數E是基于物種數量反映群落種類多樣性，群落中生物種類增多代表群落的復雜程度增高。

式中，H（香農指數）為實際觀察的物種多樣性指數，Hmax為最大的物種多樣性指數，Hmax=lnS（S為群落中的總物種數）

1.5 數據處理

實驗所得數據均錄入Excel2016并進行初步整理，采用Origin2017、Canoco5.0進行圖形處理，采用SPSS22.0軟件對數據進行初級分析，采用單因素方差分析并用最小顯著差異法（LSD）進行顯著性檢；通過冗余分析（RDA）對不同地質高背景土壤微生物群落碳源代謝多樣性進行分析。

2 結 果

2.1 不同地質高背景土壤的基本性質差異

四種土壤中，蘇圩與云表土壤呈弱酸性，鑼圩與馬嶺土壤呈弱堿性（表1）。馬嶺土壤有機質含量及全氮、全磷顯著高于其他土壤，而速效鉀含量顯著低于其他土壤。鑼圩土壤銨態氮和硝態氮含量均顯著高于其他土壤。蘇圩、鑼圩、云表土壤質地黏重，而馬嶺土壤質地較疏松，富含大量鐵錳結核。

表1 不同地質高背景土壤基本性狀 Table 1 Basic properties of the soil high in geological background value relative to sampling site

2.2 不同地質高背景土壤中重金屬全量、有效態含量差異

不同地質高背景土壤重金屬含量特征及有效性具有較大差異（表2）。蘇圩與云表土壤As含量最高，其次為Zn。鑼圩和馬嶺土壤Zn含量最高。蘇圩土壤Pb含量為（18.53±3.17）mg·kg–1，顯著高于其他土壤（P<0.05），云表土壤Pb含量最低，僅為（4.78±0.11）mg·kg–1；有效態Pb含量在蘇圩土壤中最高，而在鑼圩土壤中最低。馬嶺和蘇圩土壤Cd含量超標，分別為（1.35±0.07）mg·kg–1和（0.53±0.02）mg·kg–1。馬嶺土壤Cd含量顯著高于其他土壤（P<0.05），云表土壤Cd含量最低，為（0.19±0.01）mg·kg–1；有效態Cd含量在馬嶺土壤最高，而在鑼圩土壤中最低。四種土壤的Cu元素含量均較低，未超過風險篩選值，馬嶺土壤含量最高，云表土壤含量最低。Zn元素含量表現出與Cu相似的特征。與其他重金屬元素不同，其他元素含量較高的馬嶺土壤的As含量顯著低于其他土壤，蘇圩土壤中全量及有效態As含量最高。

表2 不同地質高背景土壤重金屬全量及有效態含量 Table 2 Total and available contents of heavy metals in the soil high in geological background value relative to sampling point/（mg·kg–1）

2.3 不同地質高背景土壤微生物碳源代謝活性及結構變化

如圖2所示，在培養0～24 h內，四種土壤的AWCD值變化并不明顯。培養24～72 h內，四種土壤AWCD值迅速增加，其中馬嶺和鑼圩升高最快，而蘇圩增加最慢。培養96 h時，云表、鑼圩與馬嶺的AWCD值重合，蘇圩最低。96 h后，云表地區AWCD值持續升高，高于其他土壤，其次是鑼圩土壤，馬嶺土壤AWCD值趨于平緩，蘇圩土壤AWCD值依然顯著低于其他土壤。

72 h AWCD數據常被用來描述根際土壤微生物活性和功能的差異，量化微生物對碳源的利用特征[25]（圖3）。結果表明，在云表、鑼圩與馬嶺土壤中，利用胺類和氨基酸類碳源的微生物代謝活性高，利用糖類與多聚物類碳源的微生物代謝活性次之，利用酚酸類和羧酸類碳源的微生物代謝活性最低。而在蘇圩土壤中，利用糖類和多聚物類碳源的微生物代謝活性最高。

此外，不同地區微生物數量對同一碳源的利用程度不同。在蘇圩土壤中，利用6類碳源的微生物數量或種類顯著低于其他土壤，尤其是酚酸類和胺類碳源的微生物數量或種類，在蘇圩土壤中幾乎檢測不到。馬嶺和云表土壤對糖類利用的微生物數量或種類與鑼圩地區相比并無顯著性差異（P>0.05）。 鑼圩土壤中利用酚酸類碳源的微生物數量或種類更多，而馬嶺和云表土壤對酚酸類碳源利用的微生物數量或種類較少。馬嶺利用多聚物類碳源的微生物數量或種類較多，而鑼圩和云表利用此碳源的微生物數量或種類相對較少。馬嶺和鑼圩利用氨基酸類、胺類和酚酸類碳源的微生物數量或種類較多，顯著高于在云表土壤（P<0.05）。

分析不同土壤微生物功能多樣性（表3）發現，馬嶺、鑼圩、云表土壤香農指數、均勻度指數、優勢度指數、豐富度指數均顯著高于蘇圩土壤（P<0.05）。馬嶺土壤豐富度指數最高；鑼圩與馬嶺 土壤均勻度指數最高。云表、鑼圩與馬嶺這三種土壤香農指數及優勢度指數相近。

表3 不同地質高背景土壤微生物群落功能多樣性指數 Table 3 Functional diversity index of the soil microbial community in the soil high in geological background value relative to sampling point

2.4 影響土壤微生物群落結構的相關因子

利用冗余分析（RDA）對土壤性狀、重金屬全量及有效態含量與微生物碳源利用特征數據進行整合分析（圖4）發現，RDA1和RDA2解釋量分別為50.95%、23.22%。其中RDA1解釋了土壤微生物碳源利用種類的數據變化，RDA2解釋了重金屬含量及有效態的數據變化。結果表明，蘇圩、云表、鑼圩土壤與馬嶺土壤顯著分離，這主要受到重金屬與土壤性狀的影響。重金屬指標全量鎘與有效鎘、有效鋅含量，與土壤指標全氮、全磷和pH，以及微生物碳源指標中氨基酸類、多聚物類的利用對馬嶺土壤具有較強的影響。重金屬指標全量砷和土壤指標速效鉀、銨態氮對鑼圩土壤具有顯著影響。所測指標對蘇圩以及云表土壤均無顯著影響。

將重金屬全量、土壤理化性質及有效態含量與不同碳代謝微生物進行相關性分析（表4），結果顯示微生物對羧酸類碳源的利用程度與pH呈顯著正相關，而與土壤全砷和土壤有效態砷含量呈顯著負相關。土壤對氨基酸類碳源的利用與土壤銨態氮呈顯著正相關，與pH呈極顯著正相關，與土壤速效鉀、有效銅呈顯著負相關，與全砷、有效砷呈極顯著負相關。土壤對酚酸類碳源的利用與土壤銨態氮呈顯著正相關，與pH呈極顯著正相關，與有效銅呈顯著負相關，與全砷、有效砷呈極顯著負相關。土壤對胺類碳源的利用與土壤銨態氮呈顯著正相關，與pH呈極顯著正相關，與全鉛、全砷、有效銅、有效鉛呈顯著負相關，與有效砷呈極顯著負相關。土壤微生物對糖類和多聚物類碳源的利用與理化性質及重金屬元素含量未發現顯著相關性。

表4 不同種類碳源利用能力與重金屬元素及土壤理化性質之間的相關性 Table 4 Correlation of carbon source utilization capacity with soil physical and chemical properties and heavy metal elements relative to type of the carbon source

3 討 論

3.1 不同地質高背景土壤的基本理化性質差異與母質和質地有關

馬嶺土壤有機質含量顯著高于其他土壤（表1），這可能與馬嶺土壤成土母質組分主要為氧化鈣含量較高的石灰巖有關，研究發現，胡敏酸易與鈣結合形成不易分解的胡敏酸鈣，在同種生態系統下氧化鈣含量高的石灰巖土壤有機碳更加容易積累[26]。四個土壤pH差異很大：母質同為河流沉積物的蘇圩與云表土壤呈弱酸性，母質為石灰巖的馬嶺土壤則呈弱堿性。研究表明，土壤pH一般取決于成土母質，堿性基巖上發育的土壤pH一般要高于酸性基巖形成的土壤pH[27]。馬嶺土壤全量氮、磷含量顯著較高，而速效鉀含量顯著低于其他地區，這與土壤質地有關，馬嶺土壤質地疏松，質地疏松的土壤保肥能力較低[28]。

3.2 不同地質高背景土壤的重金屬含量與賦存形態差異

對比2018年新出臺的土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（GB15618-2018）[29]，四種土壤As元素總量均超過土壤風險篩選值（蘇圩土壤（4.95 倍）、鑼圩（5.77倍）、馬嶺（4.45倍）、云表（4.35倍）），其中鑼圩土壤超過風險管控值。Cd元素全量在蘇圩（1.33倍 ）、馬嶺（2.25倍）土壤含量較高，超過國家土壤風險篩選值。其他重金屬元素未超標。

不同土壤重金屬富集情況不同，碳酸鹽系石灰巖發育而來的馬嶺土壤Cd元素含量高于第四紀河流沉積物發育而來的蘇圩、鑼圩、云表土壤，這與鄭國東[30]研究結果一致：幾種土壤重金屬含量由高到低依次為碳酸鹽巖形成的土壤（灰巖、白云巖）、第四系沉積、碎屑巖形成的土壤（砂巖、礫巖、頁巖）、中酸性巖形成的土壤。這種重金屬含量的差別可能與土壤成土母質及風化程度等有關，首先馬嶺土壤成土母質本身重金屬含量偏高，其次，與蘇圩、鑼圩、云表等土壤相比，馬嶺土壤地層形成時間更早，成土母質所受到的風化淋溶程度就更深，次生富集作用也就越大，進而土壤重金屬富集含量越高。

不同土壤重金屬有效態含量表現出與全量重金屬不同的趨勢（表2），馬嶺地區土壤Cd全量（（1.35±0.07）mg·kg–1）顯著高于蘇圩地區Cd含量（（0.53±0.02）mg·kg–1），然而其有效鎘含量差異卻不顯著，這可能是與兩地的土壤pH及有機質含量有關。馬嶺地區土壤pH（7.77±0.04）以及有機質含量（（76.77±3.70）g·kg–1）較高，而蘇圩地區土壤pH（5.83±0.03）以及有機質含量（（28.81±1.38）g·kg–1）較低。根據以往的研究，土壤有機質、pH是影響土壤重金屬有效性的主要因素。一般地，土壤pH越低土壤中重金屬陽離子活性越強，重金屬元素的遷移性更強，其有效性增加[31]。土壤有機質等大分子固相有機物等會吸附重金屬元素，限制其在土壤中的遷移能力，從而減弱重金屬元素的有效性[32]。此外，土壤質地的不同也可能是其原因之一，本研究發現馬嶺地區土壤質地疏松且富含大量鐵錳結核，土壤鐵錳結核中錳氧化物對重金屬離子有很強的吸附作用[33]，這也將會導致土壤有效態重金屬含量降低。

3.3 不同地質高背景土壤微生物群落變化的影響因素

土壤對微生物碳源利用能力及土壤微生物群落多樣性受到土壤性質的顯著影響（圖2、表3）。本研究結果表明土壤重金屬含量較高的馬嶺土壤，微生物對碳源的利用能力及微生物多樣性指數高于重金屬含量低的蘇圩土壤，究其原因，可能與馬嶺土壤pH和有機質含量較高，土壤中重金屬的生物有效性較低有關（表2）；此外，馬嶺土壤養分含量較高（表1），給土壤微生物生存提供有利條件，土壤微生物數量、活性和微生物群落多樣性增加[34-35]。

分析不同土壤對碳源的利用類型得到鑼圩、馬嶺土壤微生物對胺類利用能力均較強，而蘇圩土壤微生物利用能力最差。相關性分析發現Cu、Pb、Zn、As對土壤微生物利用胺類的能力呈負相關（表4），因而重金屬超標可能是蘇圩土壤微生物對胺類利用能力低的主要原因。此外，蘇圩土壤微生物對其他5種碳源的利用能力也顯著低于其他土壤。這與趙立君等[16]的研究一致，受Pb、As等重金屬污染土壤的微生物多樣性會呈下降趨勢，群落結構趨于簡單，而且Pb、As污染會顯著抑制氨基酸類、酯類、胺類的代謝活性。此外，有研究表明：增加土壤有機質可顯著提高對糖類、羧酸類、胺類碳源的利用[36]，表4有機質含量與微生物對糖類、羧酸類與胺類等利用能力的正相關也印證了這一點。

4 結 論

成土母質組分和地質年代會影響土壤有機質含量、pH、質地。地質高背景土壤重金屬含量差異主要源于成土母質的不同，次生富集程度將隨著土壤形成時間的增加而加強。養分含量低且重金屬含量較高的蘇圩土壤微生物對碳源的利用能力及多樣性指數最低。土壤微生物對不同類型碳源利用強度在不同地質高背景土壤上差異顯著，這主要體現在對胺類、糖類與氨基酸類的利用上，土壤有機質、pH、全量砷、鎘、鉛以及有效砷含量是引起土壤微生物碳源利用分異的主要環境因子。

致 謝感謝廣西壯族自治區地質礦產勘查開發局王磊工程師及南京大學季峻峰老師對于地質背景信息的提供。