楊 玖 谷 潔

(1.攀枝花市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 攀枝花 617000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響

楊 玖1，2谷 潔2#

(1.攀枝花市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 攀枝花 617000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，探究了含不同質(zhì)量濃度(600、1 200、1 800mg/kg)鋅的有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性及微生物的影響。結(jié)果表明：(1)在整個(gè)培養(yǎng)階段，含鋅的有機(jī)肥總體顯著抑制土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性，對(duì)堿性磷酸酶活性影響不顯著；隨著有機(jī)肥中鋅濃度的增大，脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性總體顯著降低。(2)整個(gè)培養(yǎng)階段，含1 800mg/kg鋅的有機(jī)肥促進(jìn)土壤中真菌增長(zhǎng)；對(duì)土壤中細(xì)菌總體也有促進(jìn)作用；對(duì)土壤中放線(xiàn)菌呈先抑制后激活的作用，最后趨于穩(wěn)定。

有機(jī)肥 鋅 微生物數(shù)量 酶活性

有機(jī)肥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占有極其重要的地位，是無(wú)公害農(nóng)業(yè)和綠色食品生產(chǎn)中的主要肥料。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，隨之產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物。肥料化是處理農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物經(jīng)濟(jì)有效的措施之一。畜禽糞便、動(dòng)植物殘?bào)w等富含有機(jī)質(zhì)的副產(chǎn)品資源是生產(chǎn)商品有機(jī)肥的重要來(lái)源，這些物料所制成的有機(jī)肥雖然可提供有機(jī)質(zhì)和部分微量元素，但目前的有機(jī)肥已發(fā)生了質(zhì)的變化，存在著嚴(yán)重的安全隱患。目前，由于飼料廠和養(yǎng)殖場(chǎng)普遍采用高銅、高鐵和高鋅等微量元素作為飼料添加劑，少量元素被動(dòng)物吸收，大約有95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的重金屬隨著尿液糞便排出體外，導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬含量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致以畜禽糞便作為原料的有機(jī)肥中重金屬含量增加。研究結(jié)果表明，有機(jī)肥料中鋅、銅、鎘、鉛分別為0.75～459.87、0.11～164.95、0.02～6.56、0.07～35.93 mg/kg[1]。土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，其活性不僅能反映土壤微生物活性，而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)移能力，是評(píng)價(jià)土壤肥力、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要參數(shù)之一[2]。目前，有關(guān)含重金屬污染的有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的影響研究較少，主要集中在豬糞、雞糞等未經(jīng)處理的有機(jī)肥直接施入土壤的影響[3]，同時(shí)我國(guó)目前還沒(méi)有堆肥中重金屬限量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但在歐洲很多國(guó)家，則制定了堆肥中重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。通過(guò)向自制有機(jī)肥(豬糞和小麥秸稈堆腐后的有機(jī)肥)中添加重金屬鋅，筆者研究了施用含不同濃度鋅的有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響，從而進(jìn)一步研究了含鋅有機(jī)肥在土壤環(huán)境中的生態(tài)效應(yīng)及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在危害，同時(shí)也為有機(jī)肥的安全施用、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)提供依據(jù)。

表1 有機(jī)肥與土壤的化學(xué)性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用硫酸鋅為分析純。有機(jī)肥以豬糞(不含任何飼料添加劑)和小麥秸稈為原料在靜態(tài)堆肥發(fā)酵罐中堆制而成。向所得的有機(jī)肥中添加不同含量的硫酸鋅溶液即制得含不同濃度鋅的有機(jī)肥。供試土壤采自西北農(nóng)林科技大學(xué)新天地?zé)o公害蔬菜生產(chǎn)試驗(yàn)基地的表層(0～20 cm)土，為塿土。有機(jī)肥與土壤的化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 含鋅有機(jī)肥的制備及試驗(yàn)處理

根據(jù)報(bào)道，由豬糞為原料生產(chǎn)的有機(jī)肥中鋅為40.5～2 286.8 mg/kg[6-7]。本試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：(1)CK處理，腐熟后的有機(jī)肥，未添加外源污染的鋅，即為對(duì)照；(2)T1處理，腐熟后的有機(jī)肥中鋅為600 mg/kg；(3)T2處理，腐熟后的有機(jī)肥中鋅為1 200 mg/kg；(4)T3處理，腐熟后的有機(jī)肥中鋅為1 800 mg/kg。每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，使得有機(jī)肥中微生物菌落達(dá)到平衡穩(wěn)定。

1.2.2 土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤于避光處風(fēng)干，過(guò)2 mm篩，備用。按5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))加入有機(jī)肥，混勻后倒入2 L的燒杯中，每燒杯裝有1.5 kg土壤。調(diào)節(jié)田間持水量60%，用parafilm封口膜將燒杯口蓋住，留6～8個(gè)直徑為1 mm的小洞在封口膜上，使燒杯內(nèi)氣體和外界流通，以保持微生物活性。恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為(25±1) ℃，培養(yǎng)過(guò)程中損失的水分通過(guò)稱(chēng)重法補(bǔ)充。培養(yǎng)第10、20、30天分別取樣分析。土壤樣品經(jīng)2 mm過(guò)篩，4 ℃保存，測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

土壤中有機(jī)碳采用重鉻酸鉀法測(cè)定，全氮采用凱氏法測(cè)定，全磷采用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鋅采用火焰原子吸收分光光度法(HCl+HNO3+HClO4消解)測(cè)定、全鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[8]。

土壤酶活性分析測(cè)定參照文獻(xiàn)[9]。蔗糖酶活性測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土壤24 h產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量表示；脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉比色法，以24 h內(nèi)1 g土壤中產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量表示；堿性磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h內(nèi)1 g土壤中產(chǎn)生的酚質(zhì)量表示；過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法，以1 g土壤培養(yǎng)1 min消耗的0.1 mol/L KMnO4的體積表示，培養(yǎng)20 min；脫氫酶活性測(cè)定采用三苯基氯化四唑(TTC)比色法，以1 h內(nèi)1 g土壤中生成三苯基甲臜(TF)的質(zhì)量表示。土壤中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量采用稀釋平板法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003及The SAS System for Windows V8進(jìn)行處理；利用DPS v7.05版進(jìn)行差異顯著性分析，差異顯著性檢驗(yàn)方法是最小顯著性差異檢驗(yàn)法(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中脲酶活性的影響

隨著有機(jī)肥中鋅濃度的增大，脲酶活性總體逐漸降低，這跟楊紅飛等[10]研究結(jié)果相似；但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，脲酶活性均提高(見(jiàn)圖1)。這可能是由于土壤培養(yǎng)試驗(yàn)所設(shè)置的環(huán)境條件(溫度及濕度等)較自然條件更有利于微生物的生長(zhǎng)所致。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著。圖2至圖5、表2至表4同。

圖1施用不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中脲酶活性的影響
Fig.1 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil urease activities

2.2 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中堿性磷酸酶活性的影響

土壤中堿性磷酸酶活性直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。由圖2可以看出，施肥10 d后，T1處理的堿性磷酸酶活性顯著高于CK及其他處理，表明低質(zhì)量濃度(600 mg/kg)的鋅激活了堿性磷酸酶的活性；鋅質(zhì)量濃度≥1 200 mg/kg時(shí)，抑制堿性磷酸酶活性。其原因可能：(1)有機(jī)肥中的有機(jī)物與鋅發(fā)生絡(luò)合或吸附反應(yīng)，使得鋅的有效性降低，削弱了鋅的生物毒性；(2)含鋅有機(jī)肥的施入可提高土壤中微生物種群的多樣性，增強(qiáng)土壤的新陳代謝能力，使得部分對(duì)鋅有抵抗力的耐性菌種隨時(shí)間的增加逐漸生長(zhǎng)和繁殖[11]。各處理對(duì)堿性磷酸酶活性的抑制作用在培養(yǎng)第20天時(shí)達(dá)到最大；第30天，各處理中堿性磷酸酶活性較第20天略有升高，這與向彬等[12]研究一致。

圖2 施用不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中堿性磷酸酶活性的影響Fig.2 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil alkaline phosphatase activities

2.3 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中蔗糖酶活性的影響

由圖3可以看出，各處理中土壤蔗糖酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。培養(yǎng)第30天，各處理蔗糖酶活性達(dá)到最低值，且隨著鋅濃度的增大，各處理間蔗糖酶活性差異顯著，其活性分別較第10天減少了74.7%、75.8%、88.3%、93.0%。整個(gè)培養(yǎng)期間，含鋅有機(jī)肥對(duì)土壤中蔗糖酶活性具有顯著的抑制作用。

圖3 施用不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中蔗糖酶活性的影響Fig.3 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil invertase activities

2.4 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中脫氫酶活性的影響

脫氫酶是土壤氧化代謝和微生物活性的指示者，是與呼吸過(guò)程、活細(xì)胞有關(guān)的重要胞內(nèi)酶。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)可用脫氫酶活性作為土壤微生物活性的指示者[13]。由圖4可見(jiàn)，CK處理土壤中脫氫酶活性顯著高于其他處理。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期，隨著鋅濃度的增大，脫氫酶活性降低。第20天，各處理脫氫酶活性升高，較第10天增加了75.4%、46.4%、173.4%和192.7%，這可能和有機(jī)肥在土壤中的降解速率等有關(guān)。

圖4 施用不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中脫氫酶活性的影響Fig.4 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil dehydrogenase activities

2.5 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響

土壤過(guò)氧化氫酶促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解以防止其對(duì)生物體的毒害作用。由圖5可知，施入含鋅有機(jī)肥土壤中過(guò)氧化氫酶活性顯著低于CK處理，表明有機(jī)肥中的鋅可抑制過(guò)氧化氫酶活性。在整個(gè)培養(yǎng)階段，T2處理對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的抑制作用最大；T1、T3處理抑制作用較小，兩者間差異總體不顯著。T3處理對(duì)過(guò)氧化氫酶活性抑制作用總體比T1、T2處理弱，其原因可能有：(1)有機(jī)肥中的有機(jī)質(zhì)可在一定程度上阻礙重金屬離子與酶的活性中心或其他基團(tuán)結(jié)合而降低酶的活性[14]，從而減緩了鋅對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的抑制作用；(2)高濃度鋅的有機(jī)肥處理中可能產(chǎn)生了耐性菌株，從而緩解了過(guò)氧化氫酶活性的抑制作用。

圖5 施用不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響Fig.5 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil catalase activity

2.6 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤中真菌的影響

由表2可以看出，培養(yǎng)第10天，T1、T2處理中土壤真菌顯著低于CK、T3處理，即T1、T2處理呈現(xiàn)了一定的抑制作用。第20天，T2、T3處理中土壤真菌顯著高于CK處理，土壤真菌呈現(xiàn)了一定的激活作用，其激活率分別為140.7%、184.3%；T1處理表現(xiàn)出了一定的抑制作用，其抑制率為56.5%。第30天，T1、T3處理表現(xiàn)出一定的激活作用。同時(shí)，在培養(yǎng)過(guò)程中，菌落特征大部分相似，且呈優(yōu)勢(shì)菌落，這有可能是土壤中產(chǎn)生了大量的耐性菌株，使得土壤真菌數(shù)量增加，種類(lèi)減少。

表2 含鋅有機(jī)肥對(duì)土壤真菌的影響1)

注：1)樣本數(shù)為3，表3、表4同。

2.7 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤細(xì)菌的影響

由表3可以看出，與CK處理相比，施入含鋅有機(jī)肥后的第10天，T2、T3處理對(duì)土壤細(xì)菌呈現(xiàn)了一定的抑制作用，其抑制率分別為50.9%、21.8%；第20天，T3處理對(duì)土壤細(xì)菌呈現(xiàn)了一定的激活作用；第30天，各處理均表現(xiàn)出顯著的激活作用，其激活率分別為236.2%、68.9%、122.4%。含高濃度鋅有機(jī)肥對(duì)土壤細(xì)菌有一定的激活作用，可能的原因是土壤中產(chǎn)生了大量的耐性菌，并形成優(yōu)勢(shì)菌種。

表3 含鋅有機(jī)肥對(duì)土壤細(xì)菌的影響

2.8 不同鋅濃度有機(jī)肥對(duì)土壤放線(xiàn)菌數(shù)量的影響

由表4可以看出，與CK處理相比，施加含鋅有機(jī)肥后的第10天，隨著鋅濃度的增加，土壤放線(xiàn)菌逐漸減少，表現(xiàn)出抑制的作用，T1～T3處理的抑制率分別為12.8%、19.9%、40.4%；與第10天相比，第20天，各處理放線(xiàn)菌均有上升的趨勢(shì)，且T3處理中放線(xiàn)菌顯著高于CK處理，對(duì)土壤放線(xiàn)菌呈激活作用，其激活率為12.1%；第30天，CK、T2、T3處理土壤放線(xiàn)菌數(shù)量無(wú)顯著性差異，但T1處理表現(xiàn)出顯著的激活作用。

表4 含鋅有機(jī)肥對(duì)土壤放線(xiàn)菌的影響

3 討 論

有機(jī)肥中的重金屬以金屬離子或與無(wú)機(jī)、有機(jī)物生成化合物形式存在。重金屬對(duì)土壤酶的作用有：(1)重金屬離子作為酶合成的輔基，改變酶催化反應(yīng)平衡性質(zhì)和酶蛋白的表面電荷，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和酶合成；(2)重金屬作用酶的底物從而誘導(dǎo)了酶活性[15]；(3)由于一些微生物能在高濃度的重金屬環(huán)境下生存，產(chǎn)生了抗性酶活性，菌落數(shù)量、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而影響酶活性[16]。重金屬與土壤酶沒(méi)有專(zhuān)一性對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]。

含鋅有機(jī)肥對(duì)土壤中堿性磷酸酶活性影響相對(duì)不大，對(duì)另外4種土壤酶(過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、脲酶和蔗糖酶)活性有不同程度的影響。重金屬對(duì)土壤酶活性的影響較復(fù)雜。由于重金屬進(jìn)入土壤后，重金屬可溶態(tài)含量較高，對(duì)微生物有一個(gè)明顯的抑制作用，但隨著時(shí)間推移，重金屬的固定作用增強(qiáng)，土壤可溶態(tài)重金屬含量降低，微生物逐漸適應(yīng)土壤環(huán)境，微生物數(shù)量、活性、群體結(jié)構(gòu)也逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上所述，有機(jī)肥中不同濃度鋅對(duì)不同土壤酶活性的作用不同，且各種酶之間可能存在一定的關(guān)系，很難利用某些土壤酶活性的變化來(lái)指示某一特定重金屬污染，不僅是因?yàn)椴煌瑫r(shí)間各處理對(duì)土壤酶活性影響的差異沒(méi)有明顯的規(guī)律，土壤酶活性受其他環(huán)境因素的影響；且土壤微生物的種類(lèi)和數(shù)量又在某種程度上決定土壤酶的來(lái)源[18]。因此，尋找一個(gè)敏感、合適的植物指標(biāo)來(lái)直觀地檢測(cè)土壤重金屬污染，仍是環(huán)境污染學(xué)和土壤酶學(xué)的主要研究方向之一。

4 結(jié) 論

(1) 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，含不同濃度鋅的有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性表現(xiàn)出不同的作用。在整個(gè)培養(yǎng)階段，含鋅的有機(jī)肥總體顯著抑制土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性，對(duì)堿性磷酸酶活性影響不顯著；隨著有機(jī)肥中鋅濃度的增大，脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性總體顯著降低。

(2) 不同培養(yǎng)階段，含不同濃度鋅的有機(jī)肥對(duì)土壤中微生物的數(shù)量影響各不相同。在整個(gè)培養(yǎng)階段，含1 800 mg/kg鋅的有機(jī)肥促進(jìn)土壤中真菌增長(zhǎng)；對(duì)土壤中細(xì)菌總體也有促進(jìn)作用；對(duì)土壤中放線(xiàn)菌呈先抑制后激活的作用，最后趨于穩(wěn)定。

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Effectsoforganicmaterialscontainingzinconenzymeactivityandsoilmicrobes

YANGJiu1，2，GUJie2.

(1.PanzhihuaEnvironmentalMonitoringCenter，PanzhihuaSichuan617000；2.CollegeofResourcesandEnvironment，NorthwestA&FUniversity，YanglingShaanxi712100)

The changes of enzyme activity soil and microbe number in soil with addition of fertilizer containing different concentrations (600，1 200，1 800 mg/kg) of the heavy metal zinc were studied by the indoor cultivation. The result showed that the urease activity,invertase activity，dehydrogenase activity and catalase activity were obviously reduced，after the organic fertilizer containing zinc was applied into the soil. While zinc had no significant effect on the activity of the soil alkaline phosphatase. With the concentrations of zinc increasing,urease activity,dehydrogenase activity and invertase activity were decreased significantly. During the culture stage,the oganic fertilizer containing 1 800 mg/kg zinc promoted the amount of fungi and bacteria. The effects of zinc in the organic fertilizer on the amount of actinomycetes were mainly for activation and presented “inhibition-activation” tendency and then finally trends to be stable.

fertilizer； zinc； microbe number； soil enzyme activity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.013

2016-03-04)

楊 玖，女，1989年生，碩士，助理工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

#通訊作者。