鎘脅迫對茶園土壤中養分和微生物區系及生理群的影響

竇昭敏，丁 芳，李祥祥，程東華，王世強

（黃山學院生命與環境科學學院，安徽 黃山 245041）

鎘（Cd）是一種稀有分散元素，被視為土壤環境中的最有害的重金屬元素之一。近年來，全球范圍酸沉降日益嚴重，加上酸性肥料，農藥及農用污泥在農業中的大量使用，大大加速了土壤和沉淀物中Cd2+的釋放[1]；同時Cd2+的釋放又刺激植物根系有機酸的分泌從而加速土壤的酸化[2]。Cd2+還具有致突變作用，可導致DNA斷裂[3]。土壤中的Cd2+可被土壤微生物所富集或被植物吸收，抑制植物生長并導致其死亡；研究發現茶樹對Cd2+有較強的富集能力[4-6]，且可通過食物鏈進入人體，對人體健康造成威脅。

目前，有關Cd2+對土壤中微生物生態特征變化、種群演變及土壤酶活性影響的研究甚少，試驗通過在茶園土壤中添加不同量的Cd2+，探討土壤重金屬Cd2+污染對土壤養分、微生物種群數量的影響及其相互關系，旨在為土壤環境指標的確定和以微生物活性作為茶園土壤重金屬Cd2+污染程度的早期預測預報指標提供基礎資料，也可為Cd2+污染茶園土壤的生物修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

茶園土壤于2011年7月采自安徽休寧商山鄉，植茶年限約40 a。取樣時鏟去土表層4~5 cm，采樣深度5~20 cm。土壤裝入黑色無菌大塑料袋中，及時帶回實驗室前處理和測定土壤理化性質。

1.2 土壤處理

土壤裝在無菌塑料袋中，經反復搓揉粉碎、混合；測得混合土壤pH值為4；除一部分留作土壤背景化學性質測定用外，其余土壤在無菌室中分裝入12個帶蓋的無菌塑料桶中，每桶裝2 kg。12個桶平均分為兩組，一組將土壤pH值調節到5，另一組pH值不變，然后以噴霧方式加入不同添加量的Cd2+，攪拌均勻后，于25℃室溫下培養10 d分別取樣，測其pH值、養分含量、微生物各生理群數量。以不添加Cd2+的土壤為對照。

1.3 土壤化學性質分析

將土樣風干后測定其化學性質，其中pH值用酸度計法；有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定；速效氮用堿解擴散法測定；速效磷用NH4F-HCl法測定；速效鉀用醋酸銨浸提—原子吸收法測定。

1.4 土壤稀釋液的制備

稱取土壤10 g，加入裝有玻璃珠的90 mL無菌水中，振搖20 min，制成10-1g/mL土壤稀釋液，再分別稀釋得到 10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7g/mL 土壤稀釋液，每個稀釋度設3個重復。所有操作在超凈工作臺上以無菌操作的方式進行。

1.5 土壤微生物區系及微生物生理類群的測定

微生物數量測定采用稀釋涂布菌落計數法，其中細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基；真菌采用馬丁氏孟加拉紅培養基；放線菌采用高氏1號培養基。細菌在30℃培養3 d計數，真菌在28℃培養5 d計數，放線菌28℃培養7 d計數；亞硝化細菌采用亞硝酸細菌分離培養基，反硝化細菌采用反硝化細菌分離培養基，這兩類菌的數量采用液體分離法在30℃下培養14 d后計數，結果以3次重復數量指標表計算其數量[7-8]。

2 結果與分析

2.1 Cd2+添加量對土壤化學性質的影響

從表1可知：茶園土壤pH值從4調節至5時，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均降低，而有機質變化不大。隨Cd2+添加量的增加，土壤pH值呈降低趨勢，在pH值為4的土壤環境中Cd2+添加量從0增加到1 g/kg，土壤pH值只降低0.11個單位；在pH值為5的土壤環境中Cd2+添加量從0增加到1 g/kg，土壤pH值降低0.58個單位。隨著Cd2+添加量增加，有效磷和速效鉀整體呈下降趨勢。

2.2 Cd2+添加量對土壤中微生物數量的影響

表1 Cd2+添加量對土壤化學性質的影響

2.2.1 Cd2+添加量對土壤中細菌數量的影響 細菌是土壤中數量最多的微生物種類，絕大多數細菌喜中性偏堿環境，在茶園酸性土壤環境下，細菌的數量相對較少。從圖1可見，隨著Cd2+添加量的升高，兩種pH值環境下的細菌都呈下降趨勢，但pH＝5的土壤下降趨勢比較明顯，說明細菌對環境pH比較敏感[9]。當Cd2+添加量升高到0.8 g/kg時，與對照組相比，pH＝5的土壤細菌數量下降幅度較大，僅為對照組的細菌數量1/10，此后隨Cd2+添加量的繼續升高細菌數量下降趨勢減緩。說明茶園土壤中絕大數細菌對Cd2+是非常敏感的，但也有一部分耐鎘細菌的存在。Roane等[10]通過DNA系列分析，分別對受Cd2+污染及無污染的土壤中的微生物進行檢測，結果發現，Cd2+污染的土壤中分離出抗性微生物（節桿菌、芽孢桿菌屬和假單孢菌）。在茶園土壤高濃度的Cd2+脅迫下，這些細菌可能通過自身代謝酶的調整來耐受較高濃度的Cd2+。

圖1 不同的Cd2+添加量對土壤中細菌數量的影響

2.2.2 Cd2+添加量對土壤中真菌數量的影響 茶園土壤中的真菌主要是霉菌，也是土壤中生物量最大的部分，真菌生理上喜歡中性偏酸性環境。從圖2可以看出：在兩種不同pH條件下，Cd2+添加量從0～0.4 g/kg，真菌數量呈上升的趨勢，但pH＝4的土壤上升趨勢比較明顯；隨Cd2+添加量的繼續升高，真菌數量呈下降趨勢，且此時數量只略低于不添加Cd2+的對照組。說明Cd2+在低濃度對某些霉菌的生長有促進作用，高濃度下則起抑制作用，但真菌在高濃度下能夠生活，其結果與Baath[11]等研究結果相符，Baath等認為可能是初級真核生物對環境的適應力和抗逆性要強于細菌和放線菌這些原核生物所致。

圖2 不同的Cd2+添加量對土壤中真菌數量的影響

2.2.3 Cd2+添加量對土壤中放線菌數量的影響土壤中的放線菌有利于某些難分解組分的分解與腐殖質的形成，在微生物的拮抗作用和土壤生物群體組成的控制方面起著重要的作用，許多放線菌分泌的抗菌素和激素類物質對各種植物病害有一定的抑制作用。由圖3可見，Cd2+添加量從0～0.4 g/kg，土壤中放線菌的數量不斷上升，說明Cd2+在低添加量下對放線菌有促進作用；當Cd2+添加量繼續增大時，放線菌數量又明顯下降?？梢姷蜐舛认翪d2+能夠促進土壤放線菌的生長，而高濃度的Cd2+則抑制放線菌的生長，這與尹軍霞[12]的研究結果相符。

圖3 不同的Cd2+添加量對土壤中放線菌數量的影響

2.2.4 不同的Cd2+添加量對土壤中亞硝化菌數量的影響 土壤中的硝化作用是由亞硝化細菌和硝化細菌共同完成的，土壤中亞硝化細菌的數量直接反映了硝化細菌的數量。由圖4可見，隨著Cd2+添加量的升高，土壤中的亞硝化細菌數量呈急劇下降趨勢，顯示出Cd2+對亞硝化細菌和硝化細菌的生長和繁殖有強烈的抑制作用，該作用使得土壤氮素循環受阻，導致土壤生物活性降低，土壤生物功能遭破壞，因此亞硝化細菌可以作為監測土壤Cd2+污染較好的指示生物。在土壤pH＝4環境下，當Cd2+添加量＞0.4 g/kg，亞硝化細菌幾乎不能成活，而pH＝5環境下，亞硝化細菌失活的Cd2+添加量臨界值為0.8 g/kg，該差異可能與不同pH環境下有效Cd2+添加量差異有關。

圖4 不同的Cd2+添加量對土壤中亞硝化細菌數量的影響

2.2.5 不同的Cd2+添加量對土壤中反硝化菌數量的影響 反硝化細菌是一類兼性厭氧微生物，與硝化細菌一樣都是氮素轉化的重要菌群，但反硝化細菌能造成土壤肥力的損失，對農業不利。由圖5可知：在pH＝5的土壤中，Cd2+添加量 0.2～0.4 g/kg，能刺激反硝化細菌的生長；但隨添加Cd2+添加量進一步增加，反硝化細菌數量呈急劇下降的趨勢。在pH＝4環境反硝化細菌數量極少，Cd2+脅迫作用不明顯。

圖5 不同的Cd2+添加量對土壤中反硝化細菌數量的影響

3 結論與討論

（1）隨Cd2+添加量的增加，土壤pH呈降低的趨勢，有機質含量略有增高，堿解氮變化不明顯，Cd2+添加量從0～1 g/kg，有效磷和速效鉀整體呈下降趨勢。

（2）茶園土壤中的不同微生物種類對Cd2+的敏感性不同，Cd2+添加量升至0.4 g/kg時，放線菌、真菌的數量有增加的趨勢，而細菌、亞硝化細菌數量呈快速下降趨勢；Cd2+添加量升至0.8 g/kg時，亞硝化細菌幾乎不能成活，真菌、放線菌的數量略低于不添加Cd2+的對照組的數量。這說明適當濃度的Cd2+能刺激放線菌、真菌的生長；真菌、放線菌能忍耐較高濃度Cd2+的脅迫。

（3）在不同pH環境添加同等添加量的Cd2+，顯示微生物種群數量受抑制程度及變化趨勢的不同，說明了土壤的pH值降低有助于各種化學形態Cd向可交換Cd轉化，導致土壤活性Cd濃度的升高，土壤pH值的升高有助于降低Cd的生物毒性[13]。隨著茶園植茶年限的增加，茶樹根系分泌的有機酸、茶樹落葉、氮肥施入等直接導致茶樹根際土壤的酸化[14]，日積月累，使得茶樹根際微生物數量向種群變少、數量變少、活性變弱的方向發展。因此，改良茶園土壤酸性環境是提高茶園土壤微生物數量和土壤酶活性，緩解重金屬Cd污染的較好方法。

（4）Cd2+污染引起茶園土壤各微生物區系和生理類群的變化和其他類型的土壤不同，本研究反映了茶園土壤的重金屬Cd2+污染的生態特征，可為茶園土壤的Cd2+污染評價提供依據和參考。

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