化學融雪劑對土壤微生物活性及氮轉化的影響

張 營，李法云，孫婷婷，張國徽，程志輝，李 霞

(1.遼寧大學環境學院，遼寧 沈陽 110036;2.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128)

化學融雪劑是國內外寒冷地區冬季除雪化冰、保證交通安全的主要措施之一，包括有機融雪劑和無機融雪劑兩大類。隨著氯鹽類融雪劑長期使用引發的水體、土壤、植被和野生動物等一系列生態環境問題受到廣泛關注以來，環保型融雪劑越來越受到人們的重視[1]。但因有機融雪劑價格或除雪效果的原因，該類融雪劑的使用一般僅限于機場、港口和橋梁等局部范圍，仍未大規模普及。融雪劑中的鹽離子含量極可能對環境特別是土壤微生物產生影響，同時融雪劑導致冰點降低，也可能影響水溶性營養元素的有效性并刺激微生物活性。以NaCl為例，10%的NaCl溶液可將冰點降低至-6 ℃，20%的融冰鹽溶液可將冰點降至-16 ℃，當向100 g冰或雪中加入33 g NaCl冰點可降至-21 ℃以下。然而，這些融雪機制對土壤微生物活性及氮轉化的影響尚鮮見報道。

目前國內外關于融雪劑對土壤環境影響的研究主要集中在土壤理化性質[2-3]和路旁植物生理生態效應[4]方面。研究表明融雪劑的使用破壞了土壤層次性，使土壤結構變差，形成片狀或塊狀結構，造成土壤板結，土壤透水性降低[2]。在瑞典、芬蘭、加拿大、美國、俄羅斯和日本等國家，由于長年使用融雪劑已引發了土壤Na+、Cl-鹽分濃度急劇增加，Na+置換土壤中的Ca2+、K+和Mg2+，使土壤金屬離子濃度的負對數(pM值)升高，導致土壤板結，土壤透水性大大降低[2]。氯鹽型融雪劑和有機型融雪劑均可引起土壤中重金屬的化學形態和遷移行為的改變，對地下水造成潛在的污染風險[5-6]。同時，化學融雪劑的大量使用會改變土壤理化性質，降低土壤中有機質和營養元素含量，從而對植被、土壤動物和微生物的生理過程和生態功能等產生影響[7]，進而導致土壤退化和環境變化。融雪劑對土壤化學性質也產生一定影響，造成土壤含水量降低，土壤容重增大，有機質含量降低，電導率增大，土壤pH值升高和陽離子交換量顯著下降[3]。融雪劑的使用引發土壤鹽化、酸化和鈉質化，成為影響植物正常生長、降低土壤肥力、增加環境風險和影響土壤微生物活性及氮轉化的重要因素。

與土壤理化性質不同，土壤生物化學性質能夠靈敏地反映土壤質量的變化，土壤的微生物生物量、土壤基礎呼吸作用及土壤酶活性等指標反映了土壤的生物化學性質，對環境因素的微弱變化反應敏感，能夠較早地指示出土壤生態系統功能的變化，故作為土壤環境脅迫因子的預警指標能為土壤性質的變化提供可靠依據[8-10]。同時，土壤微生物參與了土壤氮循環的各個過程，既是促進土壤氮在各種形態間相互轉化的動力，又能夠儲備、補給和中轉土壤氮。因此，土壤微生物區系的活性既是土壤健康的重要表征指標，又強烈影響土壤的供給能力[11-12]。目前我國廣泛使用的融雪劑是氯鹽類無機融雪劑。長期使用化學融雪劑導致地表水和地下水Na+和Cl-的升高和水體密度梯度的變化[1]，對水生生物也有影響[13]。土壤是一個包含許多復雜生物化學反應的生態體，鮮有研究關注融雪劑對微生物活性及氮轉化的影響及其潛在的干擾性。據此，筆者針對沈陽市主要土壤類型(棕壤)，施加不同濃度化學融雪劑開展室內模擬試驗，探究化學融雪劑單一影響因素下對土壤微生物生物量碳、生物量氮、土壤呼吸作用、微生物代謝商、土壤酶活性和土壤中氮轉化作用的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤樣品采集于遼寧省沈陽市郊區無污染、遠離道路交通的農用玉米地(41°27′25.3″ N, 123°23″43.1" E)，土壤類型為多年玉米連作的典型耕地棕壤，采樣深度 0～20 cm，去除土壤中雜草、石塊等，放入聚乙烯塑料袋中于4 ℃冰箱保存備測。測定土壤基本理化性質為pH值6.88，含水量w為19.16%，w(總氮)為18.7 g·kg-1，主要離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和F-含量分別為0.02、0.06、0.13、0.02、0.02、0.46 g·kg-1和未檢出。試驗選用沈陽渾南新區三英科技有限公司生產的復合型融雪劑，其中主要離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和F-含量分別為(11.2±2.9)、(67.8±4.3)、(68.2±2.2)、(41.3±0.2)、(395.9±2.5)、(69.3±12.9)和(10.3±0.8) g·kg-1。

1.2 試驗方法與測定指標

試驗設置7個處理，分別稱取融雪劑0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25和1.50 g溶于10 mL蒸餾水中，施加至過4 mm孔徑篩的300 g新鮮土壤中(土壤含水量w為19.16%)，得到融雪劑處理質量濃度梯度分別為0(對照)、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%(以干重計)，每個處理濃度設置3個重復，攪拌均勻后置入1 000 mL的塑料瓶中，此時再次測定土壤含水量w為21.13%，保持此土壤濕度培養14 d后測定土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤脲酶和過氧化氫酶活性[14]。微生物生物量碳采用改進的重鉻酸鉀滴定法，微生物生物量氮采用茚三酮比色法[15]測定。土壤呼吸測定前將土壤置于密閉塑料桶中，并放入2個裝有NaOH溶液和水的燒杯以去除呼吸產生的CO2，并保持土壤濕潤。培養7 d后利用Li-6400光合儀對土壤呼吸進行測定。Li- 6400儀器設置：測量深度(depth)為5 cm，樣品室CO2濃度(target)為250 μmol·mol-1，CO2濃度變量(delta)為5 μmol·mol-1，測量面積(area)為80 cm2，每份土樣測量10次。土壤微生物代謝熵(qCO2)為土壤基礎呼吸與微生物生物量碳含量的比值。土壤脲酶測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，以24 h后100 g土壤中NH4+-N的質量含量表示脲酶活性[15]。過氧化氫酶活性測定以30 min后1 g土壤的0.1 mol·L-1高錳酸鉀的體積(mL)表示[16]。

分別模擬土壤在施用融雪劑后冬季低溫(-20和4 ℃)和夏季高溫(25 ℃)對土壤微生物活性和氮轉化的影響。取上述已制備好的7個處理土壤10 g，向土壤中添加w為0.2%蛋白胨，攪拌均勻后置入50 mL的塑料瓶中，保持土壤濕度于25 ℃的培養箱中恒溫培養，分別于第0、3、6、15、21、28天取出每個濃度梯度的3瓶土樣進行分析，分別測定其中的NH4+-N和NO3--N含量。向100 g干土中加入25 mg硫酸銨，測定樣品中NO3--N含量，其余操作同礦化作用。土壤NH4+-N含量采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍比色法測定[17]，土壤NO3--N含量采用雙波長分光光度法測定[17]。

1.3 數據處理

采用Origin 8.0軟件繪圖，采用SPSS 17.0軟件進行線性回歸分析和不同處理間差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 低溫條件下化學融雪劑對土壤微生物活性的影響

試驗結果表明，室內模擬冬季低溫(-20和4 ℃)條件下土壤微生物生物量碳、生物量氮、土壤基礎呼吸和土壤脲酶活性在不同濃度融雪劑處理間均無顯著性差異(圖1)。因此，該研究側重闡述室內模擬夏季高溫(25 ℃)下不同濃度化學融雪劑對土壤微生物活性和氮轉化的影響。

2.2 化學融雪劑對土壤微生物生物量的影響

25 ℃條件下隨化學融雪劑處理濃度的增加，土壤微生物生物量碳含量呈逐漸降低的趨勢(圖2)，0.1%～0.6%處理濃度比對照下降9.52%～38.10%，當處理濃度小于0.4%時生物量碳含量與對照相比無顯著差異，當處理濃度大于0.5%時生物量碳含量顯著下降(P<0.05)。與微生物生物量碳含量相比，生物量氮含量也隨處理濃度的增加而降低，0.2%～0.6%處理濃度比對照下降2.03%～16.51%，處理濃度為0.6%時微生物氮含量與對照相比達顯著水平(P<0.05)，不同濃度處理對生物量碳含量的影響大于生物量氮含量。如表1所示，微生物生物量C/N比與化學融雪劑處理濃度之間呈極顯著負相關(r=-0.963，P<0.01)。

表1 各土壤生化指標與不同化學融雪劑處理濃度、土壤微生物生物量碳含量的相關性分析Table 1 Correlations for detecting indexes and deicing salts stress/soil microbe biomass C

2.3 化學融雪劑對土壤微生物基礎呼吸及代謝熵的影響

圖3為不同濃度融雪劑處理下土壤基礎呼吸的變化。

由圖3可見，隨化學融雪劑處理濃度的增加，土壤基礎呼吸作用呈先增加后降低的趨勢。當處理濃度小于0.3%時，呼吸作用隨處理濃度的增加而上升，0.2%和0.3%處理濃度下呼吸作用與對照差異達顯著水平(P<0.05)，大于0.4%處理濃度呼吸作用開始下降，0.5%和0.6%處理濃度下呼吸作用與對照相比顯著下降(P<0.05)。如表1所示，土壤微生物代謝熵隨處理濃度的增加而增大，與處理濃度顯著相關(r=0.925，P<0.05)。

2.4 化學融雪劑對土壤酶活性的影響

不同濃度化學融雪劑對土壤酶活性的影響見圖4。由圖4可見，脲酶活性隨化學融雪劑濃度的增加而降低，0.2%～0.6%處理濃度比對照下降9.40%～45.51%，當處理濃度大于0.5%時土壤中脲酶活性與對照相比差異顯著(P<0.05)。隨處理濃度的增加土壤過氧化氫酶活性呈先增加后降低的趨勢，僅在處理濃度為0.6%時與對照相比顯著下降(P<0.05)。微生物生物量碳與脲酶活性之間呈極顯著相關(r=0.946，P<0.01)。

2.5 化學融雪劑對土壤礦化作用的影響

圖5為不同化學融雪劑濃度下土壤累積礦化量(NH4+-N和NO3--N含量之和)隨時間的變化。培養0～6 d內各處理中蛋白胨迅速轉化為礦化氮，6 d后礦化趨勢減緩。當處理濃度小于0.4%時土壤礦化氮量與對照無明顯差異，當處理濃度為0.5%和0.6%時土壤中礦化氮含量明顯低于對照組。培養第28天0.5%和0.6%處理濃度的礦化氮含量分別是對照組的86.59%和74.35%，土壤礦化量隨著化學融雪劑濃度的增加而不斷降低，說明高濃度化學融雪劑對土壤氮礦化有明顯的抑制作用，且化學融雪劑含量越高，抑制作用越明顯。微生物生物量碳與累積礦化量具有顯著正相關關系(r=0.891，P<0.05)。

2.6 化學融雪劑對土壤硝化作用的影響

圖6為不同濃度化學融雪劑處理下土壤硝態氮(NO3--N)含量隨培養時間的變化。

隨培養時間的延長，土壤中的硝態氮含量呈明顯上升趨勢。隨化學融雪劑處理濃度的增加土壤硝態氮含量顯著下降，尤其是0.5%～0.6%處理濃度下土壤的硝化抑制作用顯著。培養第28天0.1%～0.6%處理濃度比對照下降7.80%～75.19%，當處理濃度大于0.5%時對硝化的抑制與對照相比達顯著水平(P<0.05)。因此，高濃度化學融雪劑對土壤中硝氮轉化的抑制作用明顯。微生物生物量與累積硝化量之間具有極顯著相關性(r=0.942，P<0.01)。

3 討論

土壤微生物生物量，包括生物量碳、生物量氮、生物量硫等，是土壤的重要組成部分，影響著所有進入土壤有機質的轉化，是整個生態系統養分和能源循環的關鍵和動力，是反映土壤環境變化的敏感性指標[8,18]。

研究結果表明，隨化學融雪劑處理濃度的增加，土壤微生物生物量碳和生物量氮含量下降，當處理濃度達0.5%和0.6%時生物量碳和微生物氮含量與對照相比顯著下降(P<0.05)，可見高濃度融雪劑對土壤微生物生物量碳、氮抑制作用顯著[14,18-20]。土壤微生物生物量C/N比是土壤群落組成的反映，土壤微生物群落由不同微生物組成，而不同的微生物生物量C/N比是不同的。細菌生物量C/N比比真菌低，因為細菌組織的蛋白質含量比真菌高[21]。土壤微生物生物量C/N比低則表明土壤微生物群落中細菌占優勢[19]。隨化學融雪劑濃度的增加，土壤微生物生物量C/N比降低，其與化學融雪劑處理濃度之間呈極顯著負相關性(r=-0.963，P<0.01)，表明過量施用化學融雪劑會導致微生物氮脅迫增強?；瘜W融雪劑濃度的增加可能改變土壤原有的微生物種群，導致微生物多樣性降低，同時也影響了微生物種群的均勻度。KE等[22]在化學融雪劑對非根際土壤真菌和細菌種群影響的研究中指出化學融雪劑脅迫下細菌種群比真菌種群更穩定；RATH等[8]的研究也發現真菌對土壤鹽漬化表現得更為敏感。鹽漬化能引起細菌脂肪酸含量30%的凈增加[23]，然而鹽漬土中細菌占優勢可能會造成復雜有機物分解困難，因為真菌對木質素和纖維素的分解有重要作用[22]。

土壤酶的專一性和綜合性使其成為一個有潛力的土壤生物指標，土壤中各營養物質的循環以及養分的代謝都需要土壤酶的參與[26]。土壤脲酶是一種能將尿素水解成氨的酶，可直接參與土壤中含N有機化合物的轉化，其活性在一定程度上能反映土壤的供氮能力，是與有機氮轉化相關的最重要的土壤酶；過氧化氫酶可以破壞土壤生化反應過程中產生的H2O2，其活性的提高可以增強土壤氧化還原能力及好氧微生物的數量，保證土壤微生物的正常活動[9,14]。有研究指出不同濃度(2.5和5.0 kg·m-2)化學融雪劑的添加均會導致4周內土壤中大多數酶活性的降低[27]，筆者研究結果也表明化學融雪劑處理濃度的增加導致土壤脲酶和過氧化氫酶活性不同程度的下降，其對脲酶抑制程度更為明顯。土壤酶主要來源于土壤微生物，土壤脲酶活性降低的原因可能是由于高濃度化學融雪劑對微生物活性的抑制以及微生物數量的減少導致微生物向土壤中分泌的土壤酶量降低；另一方面，化學融雪劑改變了土壤環境，鹽分產生的滲透脅迫及離子毒害都會抑制土壤酶活性，影響了土壤酶功能的發揮[12]；此外，高鹽分的土壤可使根系分泌物產生連作效應，導致土壤環境進一步惡化，酶活性降低[9]，進而抑制土壤的氮轉化。

土壤氮礦化是土壤有機態氮在微生物作用下轉化為無機態氮的過程，礦化產生的NH4+-N和NO3--N為土壤微生物活動及植物生長提供了主要氮來源，也是生態系統氮循環的重要環節。微生物是土壤氮轉化的主體，由微生物驅動的氮轉化過程包括生物固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用等，并受到生物與非生物因子(如土壤溫度、濕度、鹽度、有機質及微生物群落結構等)的影響[11]。有研究認為礦化作用初期適當的鹽分有利于促進土壤礦化作用，鹽分較高(35‰)時對土壤礦化作用具有明顯的抑制作用[28]。土壤硝化作用在土壤w(Na)為100 mg·kg-1和w(Cl)為150 mg·kg-1時顯著下降[29]。隨化學融雪劑處理濃度的增加和培養時間的延長，土壤的礦化作用和硝化作用均受到不同程度的抑制，處理濃度高于0.5%時化學融雪劑對土壤的礦化作用和硝化作用的抑制與對照相比達顯著水平。GREEN等[30]關于長期使用化學融雪劑對路域土壤中低濃度銨態氮和硝態氮的田間試驗結果表明，土壤中的高Na 離子導致土壤中銨態氮含量降低。JIA等[12]的研究結果也表明，低水分處理下土壤處理鹽度的增加對土壤凈氮礦化和硝化過程的抑制作用越明顯。累積礦化量和硝化量與微生物生物量碳含量之間呈顯著正相關關系，表明化學融雪劑對礦化過程和硝化過程的抑制與土壤微生物生物量的下降有關，也有研究表明高濃度的Na離子和土壤pH值的升高抑制土壤中氨化細菌和硝化細菌的活性[30]或土壤酶活性[12]，進而導致凈氮礦化速率和凈硝化速率的降低。

4 結論

通過室內培養試驗探明不同濃度化學融雪劑對土壤微生物生物量碳、生物量氮、土壤呼吸、微生物代謝熵、土壤脲酶和過氧化氫酶活性的影響，并進一步探究其對土壤礦化作用和硝化作用的影響。高濃度化學融雪劑(0.5%和0.6%)對土壤微生物生物量碳、氮抑制作用顯著(P<0.05)。土壤中微生物生物量C/N比與化學融雪劑處理濃度之間呈極顯著負相關(r=-0.963，P<0.01)，表明過量使用化學融雪劑導致微生物氮脅迫增強，土壤微生物群落中真菌數量顯著減少，細菌成為優勢群落。隨化學融雪劑處理濃度的增加，土壤基礎呼吸作用呈先上升后下降的趨勢，說明低濃度化學融雪劑脅迫下微生物為了維持生存需要消耗更高的能量，表現在微生物呼吸產生的CO2增加。代謝熵和化學融雪劑處理濃度之間成顯著正相關關系(r= 0.925，P<0.05)，表明隨化學融雪劑處理濃度的增加，其對土壤微生物的脅迫作用越大?；瘜W融雪劑處理濃度的增加導致土壤的脲酶和過氧化氫酶活性不同程度下降，其中對脲酶抑制程度更為明顯。隨化學融雪劑處理濃度的增加和培養時間的延長，土壤的礦化作用和硝化作用均受到不同程度的抑制，處理濃度高于0.5%時與對照相比達到顯著水平。