污灌區土壤微生物數量及其與土壤因子的關系

韓文輝 趙 穎 熊 蓮

(山西省環境科學研究院，太原 030027)

污灌區土壤微生物數量及其與土壤因子的關系

韓文輝 趙 穎 熊 蓮

(山西省環境科學研究院，太原 030027)

為了解污灌區土壤因子對微生物數量的影響，本文以太原市小店污灌區農田土壤作為研究對象，通過逐步回歸分析、相關性分析和通徑分析對微生物數量和土壤因子的關系進行研究。研究表明，放線菌數量達2.1×105～9.5×105cfu/g，細菌數量達8.0×108～24×108cfu/g，真菌數量達2×103～54×103cfu/g，細菌數量占絕對優勢；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放線菌、細菌、真菌數量的主要因子；相關性分析顯示，放線菌數量與速效鉀呈極顯著正相關，細菌數量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關，與陽離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關，與有機質呈顯著負相關，真菌數量與鎘呈顯著正相關；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、細菌、真菌數量的主要因子。土壤微生物與土壤因子之間存在著不同程度的關系，而鉀、磷等營養物質和重金屬是影響污灌區土壤微生物的主要因子。

污灌區；微生物數量；土壤因子；通徑分析；相關性分析

污水灌溉作為一種污水再利用的方式已得到廣泛的應用，該方式對保護水資源有一定益處，但其產生的污染不僅危害植物生長，而且對土壤微生物生長和代謝產生明顯不良影響。一旦土壤生態系統遭受污染，其微生物的種群結構與動態、生理生化性質以及酶系統活性都會有相應變化[1-2]。土壤微生物是土壤中最為活躍的因素之一，其數量和組成與作物的生長有著密切的關系，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物轉化為作物可吸收利用的無機物，并產生生長刺激素和抗生素，從而抑制病原微生物生長，刺激作物生長[3]。國外關于污灌在農業方面的應用研究較多，主要集中于種植作物種類、灌溉方式對微生物的影響[4-6]，國內在這方面研究還處于起步階段，大多數通過室內微宇宙實驗過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土壤微生物活性的影響[7]。但在自然狀態下，環境因子和含多種污染物的污水對土壤微生物的影響是多種因子綜合作用的結果，因此原位采樣研究更能真實反映污水灌溉對土壤微生物的影響。

太原位于山西省境中央，太原市小店污灌區有30多年的引污灌溉歷史[8]，現有近40萬畝污灌農田。小店區污水經由小店區境內的幾條大干渠，通過網羅密布的支渠、斗渠、毛渠輸送到各個鄉鎮的農田。渠內污水用水主要來自太原市區的生活污水、還有部分經處理的工業廢水，近年來，由于國民經濟的大力發展，沿途一些企業每年向鄰近退水渠排放一定數量的工業廢水，使污水的成分變得更加復雜。目前關于小店污灌區的研究多集中于在土壤污染水平背景調查[9-11]和水污染狀況調查[12-14]，而關于該地區污灌土壤污染對微生物的影響卻鮮有報道。

據此，本文研究了太原市小店污灌區農田土壤中重金屬、多環芳烴、化學指標和放線菌、細菌、真菌數量，并通過逐步回歸分析、相關性分析和通徑分析研究微生物數量和土壤因子的關系，旨在揭示污灌區土壤因子對微生物數量的影響，為污染土壤的質量評價和生物修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

本研究于2015年9月在灌區的3條污灌渠附近采集供試土樣，采樣點位按污水渠流向采用網格布點法布設，同時考慮污水水質、土壤類型、污灌歷史等因素，共布設35個采樣點，取0～10cm表層土壤，同時，采取非污灌區道巴地區土樣作為監測背景值，記作CK，對采集的土樣進行肥力指標和污染指標的含量測定，以評估研究區的污染程度，各區采樣點數量分布如圖1所示。

圖1 采樣點分布圖

1.2 分析測試方法

分析項目：∑PAHs、總砷(As)、總汞(Hg)、總鎘(Cd)、總鉛(Pb)、總鉻(Cr)、總銅(Cu)、總鋅(Zn)；有機質(SOM)、全磷(TP)、有效磷(AvP)、全鉀(TK)、速效鉀(AvK)、全氮(TN)、堿解氮(AvN)；細菌數量、真菌數量、放線菌數量。

重金屬測定方法：土壤樣品風干后過100目尼龍篩，用HNO3-H2O2法消煮后測定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后用于測定 Hg含量。消煮液中Cd含量用石墨爐-原子吸收光譜法測定；Cr、Cu、Pb、Mn、Zn含量用火焰-原子吸收光譜法測定；As、Hg 含量用原子熒光法測定。分析過程所用試劑均為優級純。所有測定均由空白樣和加標回收樣進行質量控制，各種重金屬的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

多環芳烴測定：將土樣進行萃取、凈化后，進行分析；采用島津GCMS-QP2010氣相色譜-質譜聯用儀對PAHs各組分進行定性與定量分析。色譜柱為DB-5MS毛細柱(30m×0.25mm×0.25μm)；載氣為高純氦氣；流速1.2mL/min；進樣口溫度290℃；氣相色譜與質譜接口溫度為300℃；柱溫升溫程序為：初始柱溫為80℃，保持2min，以15℃/min 升溫到250℃，然后以5℃/min升溫到290℃，保持10min；進樣量1μL。

有機質、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、全氮、堿解氮測定：采用土壤農化常規分析法測定。

2 結果與分析

2.1 放線菌、細菌、真菌的數量

通過測定微生物數量，發現放線菌數量達2.1×105～9.5×105cfu/g，細菌數量達8.0×108～24.0×108cfu/g，真菌數量達2.0×103～54.0×103cfu/g。細菌數量最多，放線菌次之，真菌最少，土壤細菌數量在微生物總數中占絕對優勢，見表1。

表1 不同采樣點處土壤微生物數量
(Y1：放線菌(×105cfu/g)；Y2：細菌(×108cfu/g)；Y3：真菌(×103cfu/g)；X1：pH；X2：電導率(μs/cm)；X3：有機質(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)

編號微生物數量Y1Y2Y3土壤因子X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X1617.512.013.07.99219.0027.001161.8941.907.380.18622.538.7694.4011.610.130.2162.4921.653.9923.316.07.08.08174.6017.00885.7350.407.390.14620.987.6494.6011.630.220.1678.7332.129.8935.623.013.07.96136.3017.501166.4070.0019.460.15628.1210.30125.0013.710.110.4862.9721.7025.3043.921.05.07.911141.0020.00935.6063.6017.600.14589.8410.70108.9011.360.110.2555.8716.3910.5654.115.215.07.53818.0015.00995.1444.807.230.13626.769.4483.2017.570.110.1752.2415.382.8462.124.03.08.02167.7011.001428.9574.6219.300.13613.148.23141.0012.970.380.23100.0953.6533.6879.516.018.07.93118.5016.301160.5347.407.700.22647.889.6095.808.810.120.1659.9429.675.1386.419.054.07.96161.1019.90996.4749.1017.190.20604.268.89102.0012.490.130.5366.2626.334.95969.220.08.06105.6026.00917.2917.785.500.15564.202.4035.0010.920.090.4744.619.851.70104.98.02.08.26117.1025.00833.7615.334.900.14578.201.6812.5010.240.070.1147.989.950.63

2.2 土壤微生物與土壤因子間的逐步回歸分析

為進一步探明影響土壤微生物數量的主要土壤影響因子，通過SPSS19.0對微生物數量和土壤因子進行逐步回歸分析，得到以下3個回歸方程：

其中方程(1)、(2)達極顯著水平(prob<0.01)，方程(3)達顯著水平(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量，速效鉀含量增加，放線菌數量增加，鉻含量增加，放線菌數量減少。②土壤有效磷、全鉀、有機質含量明顯影響土壤細菌的數量，有效磷、全鉀含量增加，細菌數量增加，有機質含量增加，細菌數量減少。③土壤鎘、速效鉀含量明顯影響土壤真菌的數量，鎘、速效鉀含量增加，真菌數量增加。

2.3 土壤微生物與土壤因子間的通徑分析

由于各個土壤因子的數量變化范圍不同，從逐步回歸模型中還不能直觀地看出哪個因子對微生物數量的直接影響最明顯，而通過標準化回歸系數的方法計算通徑系數，將相關系數分解為直接通徑系數與間接通徑系數的代數和。通過比較直接通徑系數，就能直觀地看出各個因子對微生物數量的作用。本文通過SPSS19.0對放線菌、細菌、真菌進行通徑分析，其主要分析過程是：①分析各土壤因子之間的相關性和各土壤因子與細菌、放線菌、真菌數量的相關性；②分析土壤因子與細菌、放線菌、真菌數量的一般線性回歸關系；③在一般線性回歸模型達顯著水平的條件下，進行通徑分析，計算直接通徑系數和間接通徑系數(表2、3、4)；④比較直接通徑系數，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性分析

本文首先對土壤放線菌、細菌、真菌數量和土壤因子的關系進行相關性分析，由相關性分析結果可知，放線菌數量與速效鉀呈極顯著正相關；細菌數量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關，與陽離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關，與有機質呈顯著負相關；真菌數量與鎘呈顯著正相關。這說明土壤微生物數量與土壤因子在一定程度上關系密切，土壤養分是保證土壤微生物生長和發育的基本條件，土壤水分有利于可溶性有機質的淋溶，促進土壤微生物的生長繁殖，土壤酸堿度可影響土壤中物質的化學反應、微生物活性和養分的有效性。

2.3.2 土壤微生物與土壤因子間的一般線性回歸分析

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

2.3.3 土壤微生物與土壤因子間的通徑分析

本文通過SPSS19.0對放線菌、細菌、真菌進行通徑分析，具體見表2、表3和表4。

表2 土壤因子對放線菌的通徑分析

自變量xi與因變量y之間的簡單相關系數(riy)=xi與y之間的直接通徑系數(Piy)+所有自變量與y的間接通徑系數，直接通徑系數為線性回歸方程的標準系數，xi與y之間的間接通徑系數=相關系數(rij)×直接通徑系數(Pjy)。

從表2看出，將相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數之后，發現速效鉀X7對放線菌的直接作用最大，鉻含量X14次之，為負值。通過分析各間接通徑系數發現，速效鉀X7通過鉻含量X14對放線菌產生正值的間接作用，其簡單相關系數增至0.887；鉻含量X14通過速效鉀X7對放線菌產生負值的間接作用，其簡單相關系數變為-0.457。由于速效鉀X7對放線菌數量的直接通徑系數(0.845)明顯大于鉻含量X14的(-0.358)，說明速效鉀是影響放線菌數量的主要土壤因子。

表3 土壤因子對細菌的通徑分析

從表3看出，有效磷X5對細菌的直接作用最大，全鉀X6次之，有機質X3的直接作用最小。通過分析各間接通徑系數發現，有效磷X5通過全鉀X6和有機質X3對細菌均產生正值的間接作用，其簡單相關系數增至最大為0.970；全鉀X6通過有效鉀X5和有機質X3對細菌均產生正值的間接作用，其簡單相關系數增加為0.919；有機質X3通過有效鉀X5和全鉀X6對細菌均產生負值的間接作用，其簡單相關系數變為-0.750。由于有效鉀X5和全鉀X6對細菌數量的直接通徑系數較大，分別為0.459和0.436，且明顯大于有機質X3的(-0.198)，因此認為有效鉀和全鉀是影響細菌數量的主要土壤因子。盡管有機質含量對細菌的簡單相關系數較大(-0.750)，但它對細菌的直接通徑系數很小，因此認為有機質對細菌數量的影響不明顯。有機質通過有效鉀、全鉀對細菌數量的間接通徑系數分別為-0.337和-0.215，這是有機質與細菌數量簡單相關系數達-0.750的主要原因。

表4 土壤因子對真菌的通徑分析

從表4看出，鎘X13對真菌的直接作用最大，速效鉀X7次之。通過分析各間接通徑系數發現，雖然鎘X13通過速效鉀X7對真菌的間接作用小于速效鉀X7通過鎘X13對真菌的，但是其直接通徑系數明顯大于速效鉀X7的，使得鎘X13的簡單相關系數最大為0.673，速效鉀X7的簡單相關系數為0.627。由于鎘X13和速效鉀X7對真菌數量的直接通徑系數均較大，分別為0.571和0.514，因此認為鎘和速效鉀是影響真菌數量的主要土壤因子。

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

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系，速效鉀是影響放線菌數量的主要土壤因子，有效磷和全鉀是影響細菌數量的主要土壤因子，鎘和速效鉀是影響真菌數量的主要土壤因子，可見，鉀、磷等營養物質和重金屬是影響污灌區土壤三大微生物的主要因子。張翠英等人研究發現污灌土壤微生物含量與土壤有機質、氨氮、有效磷含量相關性顯著[2]，伍麗等人研究茶樹根際土壤發現速效磷和pH是影響真菌、細菌的主要因子[15]，這與本研究結果相一致。

值得注意的是，鉻含量對放線菌數量的影響(-0.358)和有機質對細菌數量的影響(-0.198)，均為負值，對產生這一現象的原因有待進一步研究。

3 結 論

(1)污灌區土壤細菌數量達8.0×108～24×108cfu/g，在微生物總數中占絕對優勢。

(2)逐步回歸分析表明，影響污灌區放線菌、細菌、真菌數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、有機質。

(3)相關性分析表明，放線菌數量與速效鉀呈極顯著正相關；細菌數量與有效磷、全鉀、堿解氮、PAHs呈極顯著正相關，與陽離子交換量、鉻、鉛呈顯著正相關，與有機質呈顯著負相關；真菌數量與鎘呈顯著正相關。

(4)通徑分析表明，影響放線菌、細菌、真菌數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、磷等營養物質和重金屬是影響污灌區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

項目資助：國家自然科學基金(41401020，41601202)，山西省青年科技研究基金項目(2015021173)，山西省科技攻關項目(20150313001-2)資助

韓文輝，碩士，高級工程師，主要從事生態環境保護研究工作

趙穎，博士，高級工程師，主要從事污染土壤修復與治理

文獻格式：韓文輝 等.污灌區土壤微生物數量及其與土壤因子的關系[J].環境與可持續發展，2017，42(4)：230-233.

X21

A

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