農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)功能穩(wěn)定性的影響因素及其相關(guān)性分析

陳欣瑤,陳楸健,李敏,牛曉叢,周陽(yáng),趙喬,張園

蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇蘇州215009

農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)功能穩(wěn)定性的影響因素及其相關(guān)性分析

陳欣瑤,陳楸健,李敏,牛曉叢,周陽(yáng),趙喬,張園*

蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇蘇州215009

本文以全國(guó)13種不同區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)CO2呼吸速率、土壤理化性質(zhì)、香農(nóng)指數(shù)的測(cè)定來(lái)描述不同土壤類(lèi)型的生物性抵抗力和恢復(fù)力特征，探索影響土壤功能抵抗力和恢復(fù)力的關(guān)鍵因子，從而實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的量化表征。研究表明，在加銅（Cu）脅迫的情況下，不同土壤類(lèi)型中微生物的抵抗力、恢復(fù)力（試驗(yàn)組/控制組的比值f(t)）存在先降低后增加的趨勢(shì)或者呈完全下降的趨勢(shì)，表明土壤受到銅脅迫后總會(huì)出現(xiàn)功能穩(wěn)定性下降的現(xiàn)象，但對(duì)于自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性好的土壤，會(huì)恢復(fù)銅脅迫帶來(lái)的毒性危害。理化性質(zhì)與生物功能穩(wěn)定性的關(guān)系通過(guò)相關(guān)性的回歸分析得到：pH與抵抗力有正低度相關(guān)性，與恢復(fù)力和穩(wěn)定性不相關(guān)；CEC與抵抗力之間的關(guān)系為正相關(guān)；C/N與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性均為不相關(guān)關(guān)系；DOC的濃度與抵抗力和恢復(fù)力不相關(guān)，與穩(wěn)定性的低度相關(guān)；砂粒百分比與土壤對(duì)銅脅迫的恢復(fù)力呈指數(shù)下降關(guān)系，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，R2=0.6468，表明，砂粒百分比越高，土壤應(yīng)對(duì)銅脅迫所體現(xiàn)的恢復(fù)力越弱。香農(nóng)指數(shù)表明，銅脅迫能夠減少土壤微生物的種群密度和均勻度，改變微生物群落結(jié)構(gòu)，降低微生物活動(dòng)，降低生物群落多樣性。

土壤性質(zhì);土壤生物;抵抗力;恢復(fù)力

隨著人口增長(zhǎng)速度和城市化進(jìn)程的加快和現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量污染物質(zhì)以廢水、廢氣、廢渣的形式在人為開(kāi)采利用的過(guò)程中進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)并不斷累積，在近年來(lái)帶來(lái)嚴(yán)重的污染問(wèn)題，其中耕地土壤污染問(wèn)題與人類(lèi)生存健康最為息息相關(guān)。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，在經(jīng)受污染或者劇烈環(huán)境變化后，系統(tǒng)的一些組成和功能隨著時(shí)間的推移可能會(huì)部分或者完全恢復(fù)。研究土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其內(nèi)在機(jī)理，對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)土壤污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義[1]。穩(wěn)定性同時(shí)也是評(píng)價(jià)土壤健康和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)賴(lài)以存在和演化的基本前提，區(qū)別于外在影響因素，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制因子被認(rèn)為是一種內(nèi)在的機(jī)制[3-5]。McCann認(rèn)為生態(tài)學(xué)研究中穩(wěn)定性有兩種內(nèi)涵：一種是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；另一種是系統(tǒng)對(duì)抗干擾所帶來(lái)系統(tǒng)變化的能力，包括抵抗力和恢復(fù)力兩個(gè)方面[6]。土壤生物功能穩(wěn)定性可以通過(guò)抵抗力和恢復(fù)力來(lái)衡量[2,7,8]，抵抗力和恢復(fù)力的程度反映了生物功能在染毒過(guò)程中的變化[9,10]，因此評(píng)價(jià)土壤的質(zhì)量和健康程度需要在脅迫狀況下的土壤抵抗力和恢復(fù)力來(lái)把握，從而預(yù)測(cè)出土壤受到污染等不利因素之后，生態(tài)功能能否迅速?gòu)?fù)原。也就是說(shuō)，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要圍繞土壤微生物群落及其生態(tài)學(xué)功能對(duì)抗脅迫維持不變的能力[1]。

微生物活性在維持土壤生產(chǎn)力可持續(xù)性方面起著十分關(guān)鍵的作用，因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)和礦化、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及有機(jī)廢棄物的循環(huán)等均依賴(lài)于土壤微生物的代謝活動(dòng)[11]。因此，土壤微生物活性可以反映出土壤中微生物的活動(dòng)及其降解污染物質(zhì)的能力。微生物活性的具體表現(xiàn)為微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)礦化所引起的呼吸作用[12]。土壤基礎(chǔ)呼吸是在培養(yǎng)期間單位質(zhì)量土壤平均每天所礦化的有機(jī)碳量,反映了土壤生物活性與物質(zhì)代謝的強(qiáng)度[13]。土壤環(huán)境受到脅迫或干擾條件下，微生物為了維持生存可能需要更多的能量，而使土壤微生物的代謝活性發(fā)生不同程度的反應(yīng)[11]。一般認(rèn)為，重金屬污染能引起微生物生物量的下降，而土壤呼吸量的增加則被認(rèn)為是微生物對(duì)逆境的一種反應(yīng)機(jī)理[11]。英國(guó)Macaulay牧場(chǎng)土壤的研究發(fā)現(xiàn)，隨銅（Cu）濃度的升高，微生物呼吸速率迅速上升[14]。郭星亮等研究表明，低劑量Cu能提高微生物群落對(duì)聚合物類(lèi)碳源的轉(zhuǎn)化與利用的能力，高劑量Cu對(duì)微生物群落利用中間代謝物和復(fù)雜大分子類(lèi)碳源產(chǎn)生一定的抑制作用[15]。楊元根等研究表明，受Cu污染的早期階段，土壤微生物呼吸強(qiáng)度升高，微生物代謝熵增大，但土壤對(duì)Cu高強(qiáng)度的結(jié)合使該效應(yīng)隨時(shí)間延長(zhǎng)而減弱；Cu脅迫使微生物對(duì)碳源的優(yōu)先利用種類(lèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，碳源消耗量增加，消耗速度變快，且這種損傷效應(yīng)具有長(zhǎng)期性[14]。秦永生、劉振乾[16]研究了Cu和Pb單一污染對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響，認(rèn)為其隨污染物的濃度和培養(yǎng)時(shí)間而變化，DMRT法檢驗(yàn)表明，在后期各處理與對(duì)照間的呼吸強(qiáng)度都存在顯著差異，前期則差異不顯著。

許多研究表明[17,18]群落的多樣性有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力和可持續(xù)性，充分強(qiáng)調(diào)了微生物多樣性高低對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能維持的重要作用。除了土壤中微生物對(duì)土壤穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響外，土壤自身的物理性質(zhì)也能發(fā)揮一定的作用。Griffiths[19]等采用砂質(zhì)土壤和粘壤土，研究了土壤質(zhì)地對(duì)于生物穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)施加Cu脅迫和熱脅迫，以土壤誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度為生物穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果顯示土壤質(zhì)地對(duì)生物穩(wěn)定性的影響顯著。對(duì)此李小方[1]等認(rèn)為土壤質(zhì)地的差異導(dǎo)致了土壤一系列理化性質(zhì)的差異，如粘壤土比表面積大，吸附有機(jī)質(zhì)多，而砂質(zhì)土壤持水量低，土壤孔隙中氧氣含量高，從而造成了生物穩(wěn)定性的差異。張斌等[21]將高度降解的泥炭作為有機(jī)物添加到土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)物能顯著提高機(jī)械壓實(shí)后土壤結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。這是由于有機(jī)質(zhì)被土壤吸附之后，具有類(lèi)似于彈簧的作用，能夠促進(jìn)了土壤受到壓縮之后的反彈。

雖然越來(lái)越多的研究表明微生物多樣性的下降是對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)嚴(yán)重威脅，對(duì)于重金屬脅迫下土壤微生物群落的變化取得了一定的進(jìn)展，也進(jìn)一步研究了微生物群落與土壤穩(wěn)定性之間的作用關(guān)系，但多集中在某幾種重金屬對(duì)特定酶的作用機(jī)理，而對(duì)于重金屬脅迫機(jī)制并不明確，表征指標(biāo)仍比較混亂未形成統(tǒng)一體系。但由于土壤系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，還難以定量描述土壤微生物對(duì)抗環(huán)境脅迫所起的作用，對(duì)其中作用機(jī)制的理解也還比較模糊。此外，多數(shù)研究通過(guò)稀釋強(qiáng)行降低多樣性的方法存在嚴(yán)重缺陷；對(duì)于土壤理化因素影響抵抗力和恢復(fù)力具有共識(shí)，但是對(duì)重金屬脅迫下土壤的理化性質(zhì)對(duì)土壤抵抗力與恢復(fù)力變化影響效果沒(méi)有給出直觀的量化判斷。因此本研究將選取全國(guó)13種不同區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤，通過(guò)對(duì)CO2呼吸速率、土壤理化性質(zhì)（pH、C/N、土壤粒徑、CEC、DOC等）的測(cè)定，來(lái)描述不同類(lèi)型土壤對(duì)Cu脅迫的抵抗力和恢復(fù)力特征，其中，本研究假設(shè)土壤抵抗過(guò)程與污染物擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，恢復(fù)過(guò)程與污染物老化和微生物生長(zhǎng)有關(guān)，而污染物擴(kuò)散過(guò)程和老化過(guò)程是土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)和pH等影響因素的函數(shù)。因此通過(guò)測(cè)定理化性質(zhì)等因素對(duì)土壤的抵抗力和恢復(fù)力的影響，并對(duì)顯著因子采取數(shù)學(xué)建模進(jìn)行量化表征；借助香農(nóng)指數(shù)來(lái)分析生物多樣性與土壤生物功能穩(wěn)定性的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，為土壤污染修復(fù)提供全新角度的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用容量250 mL的白色塑料瓶做培養(yǎng)試驗(yàn)，為了捕獲土壤樣品的礦化氣體，在塑料瓶?jī)?nèi)放置裝有NaOH的小玻璃瓶（見(jiàn)圖1）。處理A：土壤樣品加Cu脅迫；處理B：土壤樣品無(wú)脅迫；空白組：無(wú)土樣無(wú)脅迫。

1.2 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的土壤樣品取自我國(guó)13個(gè)不同農(nóng)業(yè)土壤類(lèi)型的區(qū)域（見(jiàn)圖2）取得土樣，取樣時(shí)，除去表層1 cm左右的浮土，采集適量表層0～20 cm深度的潔凈泥土。用來(lái)測(cè)試底物誘導(dǎo)呼吸速率試驗(yàn)的土樣風(fēng)干并過(guò)2 mm篩網(wǎng)，其余土壤樣品密封好置于冰箱4℃保鮮。

樣品采集的地理坐標(biāo)和土壤類(lèi)型如表1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of reactor

圖2 土樣采集點(diǎn)示意圖Fig.2 Map of soil sampling

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 pH值的測(cè)定稱(chēng)取風(fēng)干土樣10 g于50 mL燒杯中，加入25 mL無(wú)二氧化碳水，用玻璃棒快速攪動(dòng)1～2 min后靜止30 min。風(fēng)干土樣pH測(cè)定，做五個(gè)平行，取平均值。

1.3.2 含水率的測(cè)定準(zhǔn)確稱(chēng)取鮮土樣5 g（m1）于錫箔紙，包裹完好后放入105℃烘箱中烘烤12 h，稱(chēng)重得m2，利用公式計(jì)算：含水率=（m2-m1）/m1×100%[21]。

1.3.3 離子交換系數(shù)CEC試驗(yàn)稱(chēng)取0.500 g的土樣，加入0.1 mol/L BaCl220 mL，搖床搖震2 h，250 rpm，然后離心，3000 rpm，離心20 min，上清液0.45μm濾膜過(guò)濾，稀釋一定倍數(shù)，ICP-AES測(cè)定Ca，Mg，Na，K，Mn和Fe的濃度，最后通過(guò)公式計(jì)算CEC[22]。

1.3.4 溶解性有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，簡(jiǎn)稱(chēng)DOC）測(cè)定取10 g新鮮土樣，按照土：水為1∶5的比例混勻，在25℃條件下，以250 r/min的速度振蕩1 h，接著在轉(zhuǎn)速為15000 r/min離心10 min，上部懸浮液過(guò)0.45μm薄濾膜，過(guò)濾液用碳自動(dòng)分析儀來(lái)測(cè)定(TOC-Vcph,Shimadzu,Japan)。

1.3.5 碳氮比(C/N)測(cè)定每個(gè)反應(yīng)裝置中各取1.00 g（干重）土壤樣品，冷凍干燥12 h，然后研磨，過(guò)0.075 mm篩，使用元素分析儀(型號(hào)TOC-VWP)測(cè)得碳氮比[23]。

1.3.6 底物誘導(dǎo)呼吸速率試驗(yàn)13種土壤分別取12 g，置于塑料瓶中（250 mL）同時(shí)將土壤含水率控制在15%。土壤被隨機(jī)進(jìn)行二種方式處理：（一）控制，無(wú)擾動(dòng)施加；（二）Cu脅迫，加入CuCl2溶液（Cu量：100 mg/kg干土重），含水率從15%調(diào)至18%。然后處理A、B均向裝有12 g土壤的瓶中加入30 mg/g葡萄糖。將裝有5 mL 0.2 mol/L的NaOH溶液的玻璃瓶放置在250 mL的塑料瓶中，用于捕捉土壤有機(jī)質(zhì)礦化所生成的二氧化碳。塑料瓶密封，并在28℃下培養(yǎng)12 h。塑料瓶從培養(yǎng)箱中取出后，迅速將NaOH液體轉(zhuǎn)移至100 mL三角瓶中，加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液，再加兩滴酚酞，用0.05 mol/L的HCl滴定[24]。每組處理有三個(gè)重復(fù)，另取3個(gè)瓶子不加土壤作為空白。為了便于說(shuō)明時(shí)間，第0 d是當(dāng)Cu脅迫被應(yīng)用的時(shí)間。分別在加入Cu脅迫后第1，3，15，30和60天進(jìn)行測(cè)定。

取第1、3、15、30、60 d五個(gè)時(shí)間點(diǎn)為橫坐標(biāo)，對(duì)各時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)式1進(jìn)行處理，并取其為縱坐標(biāo)（見(jiàn)表3），描繪恢復(fù)曲線。土壤抵抗力、恢復(fù)力以及穩(wěn)定性計(jì)算：

式中，f(t)為土壤抵抗力/恢復(fù)力。其中，f(1)反應(yīng)土壤抵抗力，f(1)越大，土壤的抵抗力越強(qiáng)；f(60)反應(yīng)土壤恢復(fù)力，f(60)越大，土壤恢復(fù)力越強(qiáng)；

CO2-stressed(t)為試驗(yàn)組第td的CO2的濃度；

CO2-control(t)為對(duì)照組第td的CO2的濃度；

Sb為土壤穩(wěn)定性，Sb越大，土壤穩(wěn)定性越強(qiáng)。

1.3.7 香農(nóng)-威納指數(shù)（Shannon Index）測(cè)定香農(nóng)-威納指數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)香農(nóng)指數(shù)），H=樣品的信息含量（彼得/個(gè)體）=群落的多樣性指數(shù)，在個(gè)體分配越均勻，H值就越大。計(jì)算公式：

式中，Sobs=測(cè)試樣的個(gè)數(shù)；

ni=第i種的個(gè)體數(shù)目；

N=群落中所有種的個(gè)體總數(shù)。

1.3.8 相關(guān)性分析為了探討土壤理化性質(zhì)對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的抵抗力、恢復(fù)力和穩(wěn)定性的影響性，數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件中的Pearson、顯著性（雙側(cè)）進(jìn)行相關(guān)性分析。

Pearson相關(guān)系數(shù)—R：用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)集合是否在一條線上面，衡量定距變量間的線性關(guān)系。

顯著性（雙側(cè)）—P：用來(lái)體現(xiàn)顯著性分布概率，其中，0.01＞P＞0.05表示差異性顯著；P＞0.01表示差異性極顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤理化因素構(gòu)成了土壤生物的生存環(huán)境，理化因素的變化勢(shì)必會(huì)影響到土壤生物群落的穩(wěn)定性[25,26]。為了研究土壤理化性質(zhì)對(duì)于土壤生物功能穩(wěn)定性的影響，故本研究對(duì)來(lái)自全國(guó)13種不同類(lèi)型的土樣進(jìn)行了理化性質(zhì)的測(cè)定，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physic-chemical properties of soil samples

2.1.1 pH根據(jù)土壤酸堿度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（http://www.tdzyw.com/2010/0726/1007.html），本研究共選用了酸堿度不同的13種土樣，本研究所測(cè)得的不同農(nóng)業(yè)土樣pH范圍為4.54～8.19（詳見(jiàn)表1），其中，對(duì)這些土樣的酸堿度進(jìn)行劃分見(jiàn)表2。

表2 土壤的酸堿度劃分Table 2 Division of soil pH

2.1.2 土壤粒徑—砂粒百分比根據(jù)國(guó)際制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(http://www.cqates.com/cqsoil/gjztrzdfjbz.htm)，本研究所選用的13種土樣，其砂粒百分比保持在22.40%～85.70%之間，范圍廣泛，具有一定代表性，而13種土壤的砂粒百分比平均值約為59.22%。

2.1.3 CEC土壤陽(yáng)離子交換量是影響土壤緩沖能力高低，也是評(píng)價(jià)土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[27]。測(cè)定結(jié)果的區(qū)間為11.64～34.33，其最大與最小值分別對(duì)應(yīng)S4和S11。

2.1.4 C/N土壤有機(jī)質(zhì)占土壤固相百分之幾[28]，微生物量和一些土壤酶活性與土壤有機(jī)碳的含量呈正相關(guān)[29]，生物活性越強(qiáng)，抵抗力和恢復(fù)力越強(qiáng)。本研究中的13種土樣的C/N保持在8.095～23.000之間，最大值和最小值分別對(duì)應(yīng)S7和S9。

2.1.5 DOC DOC的含量越高，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量就越高，因而微生物活性越高，恢復(fù)力和抵抗力也越高，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的13種土壤樣品的DOC如表3所示，測(cè)定范圍為11.78～66.51 mg/L。

2.2 香農(nóng)指數(shù)

香農(nóng)指數(shù)包含兩個(gè)成分：①種數(shù)；②各種間個(gè)體分配的均勻性。香農(nóng)指數(shù)越高，指示群落多樣性越好，個(gè)體分配越均勻，而Cu脅迫能夠改變土壤微生物的種密度和均勻度，從而影響微生物群落結(jié)構(gòu)。本研究中由于土樣S7和S8在測(cè)定香農(nóng)指數(shù)的過(guò)程中誤差較大，故選取除此之外的11種農(nóng)業(yè)土樣作數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為了闡明Cu脅迫對(duì)微生物群落的影響，因此將第0 d與第60 d的香農(nóng)指數(shù)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表3），發(fā)現(xiàn)未受污染的農(nóng)業(yè)土壤加入Cu脅迫后，大多數(shù)土壤樣品的香農(nóng)指數(shù)降低，表明土壤微生物的種密度和均勻度有所下降，而S13的香農(nóng)指數(shù)上升幅度較大，但其恢復(fù)力及穩(wěn)定性都較弱，不排除該土壤被污染的可能性。另外，S1、S5、S6恢復(fù)曲線的波動(dòng)范圍（見(jiàn)圖3）受Cu脅迫的影響較大，這也支持了研究結(jié)論—Cu脅迫可以降低微生物活性和微生物群落多樣性。

表3 不同區(qū)域土樣的第0 d和第60 d的香農(nóng)指數(shù)Table 3 Shannon Index of soil samples in different locations at the 0 d and 60 d

2.3 土壤微生物抵抗力與恢復(fù)力及其功能穩(wěn)定性

為進(jìn)一步研究不同土壤類(lèi)型下的微生物抵抗力與恢復(fù)力的差異性，我們通過(guò)土壤中微生物呼吸量計(jì)算得出抵抗力/恢復(fù)力f(t)，如圖3所示，在加Cu脅迫的情況下，在土壤S1、S4、S5、S6、S7、S8、S1、S13中f(t)是呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，而S2、S3、S9、S10、S11中f(t)則呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明大部分地區(qū)的土壤在經(jīng)歷Cu脅迫后能夠自我恢復(fù)。而S3、S10、S11是呈完全地遞減趨勢(shì)，表明S3、S10、S11三個(gè)地區(qū)的土壤恢復(fù)力較差，受Cu脅迫后這些區(qū)域中的微生物自我修復(fù)能力較差。上述結(jié)果表明，不同土壤之間的抵抗力與恢復(fù)力存在差異（見(jiàn)表4），其中S1、S10、S13的抵抗力相對(duì)較好，S12的抵抗力最差；S1、S6、S8恢復(fù)力相對(duì)較好，S10的恢復(fù)力最差。Griffiths等[19]以Cu脅迫作為模式干擾，無(wú)論是污染還是未污染土壤第1 d的抵抗力最低，但是污染土壤的恢復(fù)力明顯高于未污染土壤。這說(shuō)明影響測(cè)定土樣恢復(fù)力大小的一個(gè)因素是無(wú)法對(duì)所取的不同區(qū)域的土壤進(jìn)行污染程度的自然統(tǒng)一，若要保持統(tǒng)一性，只能通過(guò)人工添加毒性的方法，但這不符合本研究的初始目的。其中圖3的面積（即恢復(fù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積）表示為土壤的穩(wěn)定性，面積越大，即表示穩(wěn)定性越強(qiáng)，從穩(wěn)定性上進(jìn)行比較，S1的穩(wěn)定性比較好，加入Cu脅迫前后的影響并不是特別明顯；而S3、S7、S9、S10四種土樣穩(wěn)定性比較差。

表4 不同區(qū)域土壤的抵抗力與恢復(fù)力以及穩(wěn)定性Table 4 Resistance and resilience with different types of soil and its stability

圖3 不同區(qū)域土壤的恢復(fù)曲線Fig.3 Recovery curves of soil samples in different locations

2.4 基礎(chǔ)理化性質(zhì)與土壤微生物抵抗力、恢復(fù)力的相關(guān)性分析

為尋找影響土壤微生物抵抗力、恢復(fù)力的關(guān)鍵因子，我們對(duì)來(lái)自全國(guó)13種不同類(lèi)型的土壤選取了5種理化性質(zhì)，包括pH、砂粒百分比、CEC、C/N、DOC進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1，并對(duì)這些因素與抵抗力、恢復(fù)力進(jìn)行了相關(guān)性分析，具體結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果所示（表5），pH與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)分別為0.422、-0.278、0.039，表明pH與抵抗力有正低度相關(guān)性，與恢復(fù)力和穩(wěn)定性不相關(guān)。對(duì)于pH，與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性的相關(guān)性分析中，顯著性P分別為0.151、0.357、0.9，設(shè)置顯著性P為0.05，說(shuō)明pH與三者均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，與其沒(méi)有顯著相關(guān)性。而B(niǎo)ltton[30]的研究表明，pH值為3.0和3.7的酸性水對(duì)土壤微生物活性基本沒(méi)任何影響，而在Furthermore等人的報(bào)道中也指出除pH值小于2.0的情況外，其他酸性處理的土壤并不降低土壤中酶的活性[32]。這些研究均表達(dá)了pH與土壤生物呼吸無(wú)直接相關(guān)性，與研究結(jié)論一致。

砂粒百分比與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性的的相關(guān)系數(shù)R分別為0.496、-0.621*、-0.274，表明砂粒百分比與抵抗力低度相關(guān)，與恢復(fù)力中度相關(guān)，與穩(wěn)定性不相關(guān)。其中，砂粒百分比與恢復(fù)力的相關(guān)系數(shù)為-0.621，說(shuō)明兩者之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，砂粒百分比越高，土壤應(yīng)對(duì)Cu脅迫所體現(xiàn)的恢復(fù)力越弱。對(duì)于砂粒百分比，其與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性三者的顯著性P值分別為0.085、0.023、0.366，說(shuō)明砂粒百分比與土壤對(duì)Cu脅迫的恢復(fù)力滿足顯著相關(guān)（P=0.023）。這一結(jié)果可以解釋為，由于砂粒通透性好，但缺乏粘粒（無(wú)機(jī)膠體）和OM（有機(jī)質(zhì)膠體），保水肥能力差、堆放空隙最大，礦質(zhì)養(yǎng)分含量低[31]，所以砂土通透性好，排水能力強(qiáng)，微生物呼吸快，砂質(zhì)土有利于好氣性微生物的活動(dòng)，OM分解快，肥效快[32]，前勁大后勁不足。此外，好氧微生物是在氧氣充足的環(huán)境中才能正常生長(zhǎng)的一類(lèi)微生物，由于這些微生物呼吸作用的最終電子受體是氧，所以缺氧時(shí)便停止生長(zhǎng)，但通常不死亡，這一特性導(dǎo)致土壤收到Cu脅迫的干擾后，微生物生長(zhǎng)速度降低，無(wú)法對(duì)干擾進(jìn)行正常快速的反應(yīng)和繼續(xù)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的行為，恢復(fù)力減弱。

CEC與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)R值分別為0.465、0.165、0.307，表明CEC與其相關(guān)關(guān)系分別為中度相關(guān)、不相關(guān)、低度相關(guān)。此外，CEC與抵抗力的顯著性也是偏高的（P值為0.109），說(shuō)明兩者之間的中度正相關(guān)關(guān)系是較為顯著的。這一結(jié)論也是有依據(jù)的，不同土壤的陽(yáng)離子交換量不同，CEC受土壤質(zhì)地影響，質(zhì)地越細(xì)，其陽(yáng)離子交換量越高，且另有研究表明，土壤的基礎(chǔ)呼吸與陽(yáng)離子交換量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[31]。

C/N與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)分別為0.103、-0.022、-0.1，說(shuō)明C/N與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性均為不相關(guān)關(guān)系。有研究表明土壤的基礎(chǔ)呼吸與C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[31]，據(jù)王利利[33]報(bào)道，有機(jī)質(zhì)的C/N過(guò)高會(huì)降低土壤微生物的活性（C/N為20:1時(shí)過(guò)高）；而C/N較低時(shí)，土壤微生物量低，土壤活性差，不利于氮素被微生物同化利用，C/N比越低，加速了土壤原有有機(jī)碳的分解，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量減少。而胡瑋[34]等人的研究表明C/N為12.5:1的土壤微生物活性較大，過(guò)高或過(guò)低微生物活性差，土壤抵抗力弱。故本研究數(shù)據(jù)分析獲得的C/N和抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性均不相關(guān)的結(jié)果可以理解為取樣土壤的C/N大部分低于土壤微生物最適宜的C/N所造成。

DOC的濃度與抵抗力和恢復(fù)力的相關(guān)系數(shù)R（見(jiàn)表6）分別為0.253、-0.060，說(shuō)明DOC與兩者均不相關(guān)，而與穩(wěn)定性的R值為0.364，屬于低度相關(guān)。盡管DOC濃度與穩(wěn)定性之間的相關(guān)性并不大，也不具有較高的顯著性（P=0.253），但是由于DOC受外界條件影響較大，同時(shí)與土壤的質(zhì)地之間的差別也有很大的關(guān)系，所以我們也認(rèn)為DOC的濃度與土壤的穩(wěn)定性有正相關(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)橛醒芯勘砻鱀OC與有機(jī)碳總量、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分因子之間呈正相關(guān)關(guān)系[35]。此外也有研究證實(shí)土壤微生物量碳、氮會(huì)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，而土壤過(guò)氧化氫酶、土壤轉(zhuǎn)化酶的活性也會(huì)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加[36]，酶活性的增加有利于促進(jìn)增強(qiáng)土壤生物活性，土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的上升。

表5 相關(guān)性分析（除DOC外）Table 5 Correlation analysis(The exception of DOC)

表6 DOC與土壤抵抗力、恢復(fù)力與穩(wěn)定性的相關(guān)性Table 6 The correlation between DOC and soil resistance/resilience/stability

2.5 回歸模型構(gòu)建

由相關(guān)性分析證明，砂粒百分比與土壤微生物對(duì)Cu脅迫的恢復(fù)力呈顯著性負(fù)相關(guān)。為了能對(duì)這組關(guān)系進(jìn)行深入探討，我們將這對(duì)關(guān)系借助軟件Origin 8.0進(jìn)行回歸模型的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行量化表征。經(jīng)過(guò)不同線型的回歸模型比對(duì)（見(jiàn)表7），結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂粒百分比與恢復(fù)力之間以指數(shù)關(guān)系擬合效果最好，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，模型可決系數(shù)R2=0.6468。

表7 砂粒百分比與恢復(fù)力的建模Table 7 The model between the sand percentage and soil resilience

為了評(píng)估砂粒百分比在整個(gè)模型中的相對(duì)重要性，我們對(duì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。選用13種土壤的砂粒百分比平均值59.22%為初始值，將其進(jìn)行±20%的數(shù)值波動(dòng)，而參數(shù)的累積效應(yīng)將通過(guò)恢復(fù)力的變化值表示出來(lái)。

對(duì)于參數(shù)P的敏感系數(shù)S可以計(jì)算如式4：

其中并且S(P,P0)表示與參數(shù)P相關(guān)的模擬變量S。我們對(duì)恢復(fù)力的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于砂粒百分比的敏感性進(jìn)行了研究。若對(duì)砂粒百分比數(shù)值上下浮動(dòng)20%，可得到其敏感系數(shù)為0.0026。

3 結(jié)論

本研究采集了來(lái)自全國(guó)13個(gè)地區(qū)不同類(lèi)型的農(nóng)業(yè)土壤，分別測(cè)定了他們的CO2呼吸速率、理化性質(zhì)（pH、砂粒百分比、CEC、C/N、DOC）以及香農(nóng)指數(shù)。研究表明，在加Cu脅迫的情況下，香農(nóng)指數(shù)表明，Cu脅迫能夠減少土壤微生物的種群密度和均勻度，改變微生物群落結(jié)構(gòu)，降低微生物活動(dòng)，降低生物群落多樣性。此外Cu脅迫使不同土壤類(lèi)型中微生物抵抗力、恢復(fù)力存在先降低后增加的趨勢(shì)或者呈完全下降的趨勢(shì)（見(jiàn)圖3），表明土壤受到Cu脅迫后總會(huì)出現(xiàn)功能穩(wěn)定性下降的現(xiàn)象，但對(duì)于自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性好的土壤，會(huì)恢復(fù)Cu脅迫帶來(lái)的毒性危害。理化性質(zhì)與生物功能穩(wěn)定性的關(guān)系通過(guò)相關(guān)性的回歸分析得到：pH與抵抗力有正低度相關(guān)性，與恢復(fù)力和穩(wěn)定性不相關(guān)；CEC與抵抗力之間的關(guān)系為正相關(guān)；C/N與抵抗力、恢復(fù)力、穩(wěn)定性均為不相關(guān)關(guān)系；DOC的濃度與抵抗力和恢復(fù)力不相關(guān)，與穩(wěn)定性的低度相關(guān)；砂粒百分比與土壤對(duì)Cu脅迫的恢復(fù)力呈指數(shù)下降關(guān)系，指數(shù)方程為y=259.42e-0.022x，模型擬合誤差R2=0.6468，表明砂粒百分比越高，土壤應(yīng)對(duì)Cu脅迫所體現(xiàn)的恢復(fù)力越弱。

由于土壤屬性受地域性影響較大，為了所得結(jié)論更具代表性和規(guī)律性，還需要收集更多不同地域中的土壤樣品進(jìn)行分析和論證。另外，目前還有許多比較嶄新的課題尚處于初步的研究階段，對(duì)于例如土壤微生物重金屬、有機(jī)污染脅迫的根際效應(yīng)，土壤微生物重金屬、有機(jī)污染脅迫的離子效應(yīng)等問(wèn)題的研究還需要后續(xù)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

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Influence Factors of Ecological Function Stability of Soil and Their Correlation

CHEN Xin-yao,CHEN Qiu-jian,LI Min,NIU Xiao-cong,ZHOU Yang,ZHAO Qiao,ZHANG Yuan*
School of Environmental Science and Engineering/Suzhou University of Science and Technology,Suzhou215009,China

The research takes 13 kinds of representative agricultural soil samples from the national scale to measure the respiration rate of CO2and key physic-chemical parameters and analyze Shannon Index so as to describe the interaction between the properties of different soil types with soil stability to exploit the predominant factors that influence the soil resistance/resilience/stability in order to predict soil ability assessment.The results showed that after adding Cu perturbation, the curve of f(t)decreased firstly followed by an increase or completely decreasing,indicating that the soil would be emerging a decline of biological functional stability,but for the soil that have a good ecosystem stability would recover the toxicity caused by Cu perturbation.The relationship between physic-chemical properties and biological functional stability obtained by regression analysis.According to this research,pH have a low correlation with resistance,while irrelevant with the resilience and stability;there is a positive correlation between the CEC and the resistance;C/N and resistance/resilience/ stability were not correlated;the concentration of DOC are uncorrelated with the resistance and resilience,and have a low correlation with stability;the sand percentage had a proportional relationship with the resilience through correlation regression analysis,exponential equation:y=259.42e-0.022x,R2=0.6468.The Shannon Index indicated that the Cu perturbation decreased the soil microorganisms’abundance and equability by changing the microbial community structure and reducing microbial activity and community diversity.

Soil property;soil organism;resistance;resilience

R135.11

:A

:1000-2324(2015)06-0838-9

2015-03-17

:2015-04-13

江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目資助:土壤功能抵抗力與恢復(fù)力建模及影響因素敏感性分析(13KJB610014);環(huán)境中重金屬鉛污染的兒童健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Zd131201)

陳欣瑤(1995-),女,本科.E-mail:18896584296@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:yuanzhang_1001@mail.usts.edu.cn