區(qū)域尺度下農(nóng)田土壤微生物對重金屬和土壤特性的響應(yīng)與定向變異.pdf

1、由于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，我國土壤重金屬污染已成為近幾十年來的重要環(huán)境問題。農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染會造成土壤功能紊亂和作物中重金屬的含量增加。水稻是我國第一大糧食作物，稻米的品質(zhì)與人們的健康息息相關(guān)。因此，開展土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染的研究，對土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。同時，土壤重金屬污染易導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響到土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能多樣性和生物化學(xué)過程。目前此類研究多為實驗室實驗或小范圍進(jìn)行的田間實驗，因

2、此，有必要進(jìn)行區(qū)域尺度下微生物對重金屬和土壤特性的響應(yīng)分析，探究農(nóng)田微生物的關(guān)鍵影響因子，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供依據(jù)。
　　本研究以浙江省溫嶺市為研究區(qū)域，利用地統(tǒng)計和多元統(tǒng)計分析方法，系統(tǒng)研究了土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染現(xiàn)狀、趨勢、潛在生態(tài)風(fēng)險和人體健康風(fēng)險;分析了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的空間分布特征及其與重金屬和土壤特性的響應(yīng)關(guān)系。獲得的主要結(jié)果如下：
　　(1)通過地統(tǒng)計和空間分析方法，對土壤-水稻系統(tǒng)重金屬的

3、時空變異研究表明，空間上，研究區(qū)土壤和水稻重金屬均有一定的空間分布規(guī)律;時間上，與2006年相比，土壤中Cd、Cu和Pb的平均含量增加。土壤Cd和Cu含量增加區(qū)域最明顯。水稻中Cd的平均含量增加了近一倍，并且含量增加區(qū)域分布普遍，須引起重視。
　　(2)參照土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，土壤中Cd和Cu的超標(biāo)率最高。與國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)相比較，水稻中Cd超標(biāo)率最高，有輕微污染特征。Cd潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高，達(dá)到了中等危害水平。成人和兒童面臨

4、的非致癌風(fēng)險主要來自食用大米，成人風(fēng)險高于兒童。研究區(qū)居民面臨致癌風(fēng)險，且Cd的致癌風(fēng)險大于Ni。土壤重金屬潛在風(fēng)險指數(shù)，健康風(fēng)險評價指數(shù)均在北部和西南部存在高值區(qū)。
　　(3)相關(guān)分析和RDA分析表明，Zn和Cu主要與社會環(huán)境因子關(guān)系密切。Cd和Pb與農(nóng)業(yè)活動相關(guān)。Ni主要受土壤理化性狀影響。土壤環(huán)境因子共解釋了43.3％的重金屬總變異。
　　(4)土壤微生物單個脂肪酸和各類群磷脂脂肪酸絕對含量均為研究區(qū)西南部含量較高。<

5、br>　　通過因子分析和回歸分析表明，單個脂肪酸中，18∶1ω9c、i15∶0、i16∶0、a17∶0、i17∶0、cy19∶0ω8c、10Me16∶0和10Me18∶0的關(guān)鍵影響因子為土壤理化性狀;16∶00、16∶1ω5c、16∶1ω7c、18∶1ω7c、a15∶0、cy17∶0和18∶2ω6，9c與土壤理化性狀和重金屬密切相關(guān)。對于微生物類群，細(xì)菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌受土壤重金屬含量和理化性狀的綜合影響;放線菌則主要

6、受土壤理化性狀的影響。
　　土壤環(huán)境因子中，有機(jī)碳是微生物的主要促進(jìn)因子。影響微生物的重金屬主要為Cd和Cu。Cd表現(xiàn)為抑制作用，Cu對微生物具有明顯的促進(jìn)作用。
　　(5)對微生物磷脂脂肪酸相對含量的分析表明，16∶00、16∶1ω7c、18∶1ω7c、18∶1ω9c、i15∶0、cy19∶0ω8c、10Me16∶0為研究區(qū)土壤微生物的優(yōu)勢類群，細(xì)菌豐度最高，其次為放線菌，真菌最低。
　　地統(tǒng)計分析表明，各特征脂肪酸

7、的相對含量的分布格局差異較大。細(xì)菌和革蘭氏陰性菌在研究區(qū)東部和西北部的相對含量較高;革蘭氏陽性菌和放線菌的高值區(qū)位于研究區(qū)西北部;真菌的高值區(qū)主要分布在偏南部地區(qū)。
　　革蘭氏陽性菌與重金屬呈負(fù)相關(guān)，革蘭氏陰性菌和陽性菌的比值與重金屬的正相關(guān)關(guān)系表明重金屬污染土壤中，革蘭氏陰性菌比革蘭氏陽性菌更具優(yōu)勢;真菌與重金屬呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;真菌和細(xì)菌的比值與Cd顯著負(fù)相關(guān)，表明研究區(qū)土壤重金屬污染導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低;cy/pre與重金

8、屬的正相關(guān)關(guān)系說明重金屬污染已對研究區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了脅迫作用。
　　RDA分析表明，環(huán)境因子共解釋微生物群落結(jié)構(gòu)39.8％的變異，其中土壤理化性狀解釋33.4％的變異，重金屬解釋的變異量為14.7％。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要影響因素為pH、電導(dǎo)率(EC)、有機(jī)碳(OC)、重金屬、機(jī)械組成以及鋁氧化物。
　　(6)Shannon指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)空間分布規(guī)律相似，高值區(qū)均存在于研究