張 營(yíng)，李法云，孫婷婷，張國(guó)徽，程志輝，李 霞

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

化學(xué)融雪劑是國(guó)內(nèi)外寒冷地區(qū)冬季除雪化冰、保證交通安全的主要措施之一，包括有機(jī)融雪劑和無機(jī)融雪劑兩大類。隨著氯鹽類融雪劑長(zhǎng)期使用引發(fā)的水體、土壤、植被和野生動(dòng)物等一系列生態(tài)環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注以來，環(huán)保型融雪劑越來越受到人們的重視[1]。但因有機(jī)融雪劑價(jià)格或除雪效果的原因，該類融雪劑的使用一般僅限于機(jī)場(chǎng)、港口和橋梁等局部范圍，仍未大規(guī)模普及。融雪劑中的鹽離子含量極可能對(duì)環(huán)境特別是土壤微生物產(chǎn)生影響，同時(shí)融雪劑導(dǎo)致冰點(diǎn)降低，也可能影響水溶性營(yíng)養(yǎng)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(diǎn)降低至-6 ℃，20%的融冰鹽溶液可將冰點(diǎn)降至-16 ℃，當(dāng)向100 g冰或雪中加入33 g NaCl冰點(diǎn)可降至-21 ℃以下。然而，這些融雪機(jī)制對(duì)土壤微生物活性及氮轉(zhuǎn)化的影響尚鮮見報(bào)道。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于融雪劑對(duì)土壤環(huán)境影響的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)[2-3]和路旁植物生理生態(tài)效應(yīng)[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(jié)構(gòu)變差，形成片狀或塊狀結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)，土壤透水性降低[2]。在瑞典、芬蘭、加拿大、美國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)家，由于長(zhǎng)年使用融雪劑已引發(fā)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(fù)對(duì)數(shù)(pM值)升高，導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤透水性大大降低[2]。氯鹽型融雪劑和有機(jī)型融雪劑均可引起土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)和遷移行為的改變，對(duì)地下水造成潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。同時(shí)，化學(xué)融雪劑的大量使用會(huì)改變土壤理化性質(zhì)，降低土壤中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量，從而對(duì)植被、土壤動(dòng)物和微生物的生理過程和生態(tài)功能等產(chǎn)生影響[7]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤退化和環(huán)境變化。融雪劑對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生一定影響，造成土壤含水量降低，土壤容重增大，有機(jī)質(zhì)含量降低，電導(dǎo)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(fā)土壤鹽化、酸化和鈉質(zhì)化，成為影響植物正常生長(zhǎng)、降低土壤肥力、增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和影響土壤微生物活性及氮轉(zhuǎn)化的重要因素。

與土壤理化性質(zhì)不同，土壤生物化學(xué)性質(zhì)能夠靈敏地反映土壤質(zhì)量的變化，土壤的微生物生物量、土壤基礎(chǔ)呼吸作用及土壤酶活性等指標(biāo)反映了土壤的生物化學(xué)性質(zhì)，對(duì)環(huán)境因素的微弱變化反應(yīng)敏感，能夠較早地指示出土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，故作為土壤環(huán)境脅迫因子的預(yù)警指標(biāo)能為土壤性質(zhì)的變化提供可靠依據(jù)[8-10]。同時(shí)，土壤微生物參與了土壤氮循環(huán)的各個(gè)過程，既是促進(jìn)土壤氮在各種形態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，又能夠儲(chǔ)備、補(bǔ)給和中轉(zhuǎn)土壤氮。因此，土壤微生物區(qū)系的活性既是土壤健康的重要表征指標(biāo)，又強(qiáng)烈影響土壤的供給能力[11-12]。目前我國(guó)廣泛使用的融雪劑是氯鹽類無機(jī)融雪劑。長(zhǎng)期使用化學(xué)融雪劑導(dǎo)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(duì)水生生物也有影響[13]。土壤是一個(gè)包含許多復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)的生態(tài)體，鮮有研究關(guān)注融雪劑對(duì)微生物活性及氮轉(zhuǎn)化的影響及其潛在的干擾性。據(jù)此，筆者針對(duì)沈陽市主要土壤類型(棕壤)，施加不同濃度化學(xué)融雪劑開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探究化學(xué)融雪劑單一影響因素下對(duì)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(zhuǎn)化作用的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤樣品采集于遼寧省沈陽市郊區(qū)無污染、遠(yuǎn)離道路交通的農(nóng)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?zhèn)錅y(cè)。測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)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(yàn)選用沈陽渾南新區(qū)三英科技有限公司生產(chǎn)的復(fù)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(yàn)方法與測(cè)定指標(biāo)

試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)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(zhì)量濃度梯度分別為0(對(duì)照)、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%(以干重計(jì))，每個(gè)處理濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，攪拌均勻后置入1 000 mL的塑料瓶中，此時(shí)再次測(cè)定土壤含水量w為21.13%，保持此土壤濕度培養(yǎng)14 d后測(cè)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(jìn)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(cè)定。土壤呼吸測(cè)定前將土壤置于密閉塑料桶中，并放入2個(gè)裝有NaOH溶液和水的燒杯以去除呼吸產(chǎn)生的CO2，并保持土壤濕潤(rùn)。培養(yǎng)7 d后利用Li-6400光合儀對(duì)土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定。Li- 6400儀器設(shè)置：測(cè)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(cè)量面積(area)為80 cm2，每份土樣測(cè)量10次。土壤微生物代謝熵(qCO2)為土壤基礎(chǔ)呼吸與微生物生物量碳含量的比值。土壤脲酶測(cè)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(zhì)量含量表示脲酶活性[15]。過氧化氫酶活性測(cè)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(duì)土壤微生物活性和氮轉(zhuǎn)化的影響。取上述已制備好的7個(gè)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(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)，分別于第0、3、6、15、21、28天取出每個(gè)濃度梯度的3瓶土樣進(jìn)行分析，分別測(cè)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(cè)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(lán)比色法測(cè)定[17]，土壤NO3--N含量采用雙波長(zhǎng)分光光度法測(cè)定[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫條件下化學(xué)融雪劑對(duì)土壤微生物活性的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，室內(nèi)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(chǔ)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(cè)重闡述室內(nèi)模擬夏季高溫(25 ℃)下不同濃度化學(xué)融雪劑對(duì)土壤微生物活性和氮轉(zhuǎn)化的影響。

2.2 化學(xué)融雪劑對(duì)土壤微生物生物量的影響

25 ℃條件下隨化學(xué)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(shì)(圖2)，0.1%～0.6%處理濃度比對(duì)照下降9.52%～38.10%，當(dāng)處理濃度小于0.4%時(shí)生物量碳含量與對(duì)照相比無顯著差異，當(dāng)處理濃度大于0.5%時(shí)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(duì)照下降2.03%～16.51%，處理濃度為0.6%時(shí)微生物氮含量與對(duì)照相比達(dá)顯著水平(P<0.05)，不同濃度處理對(duì)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(xué)融雪劑處理濃度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.963，P<0.01)。

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

2.3 化學(xué)融雪劑對(duì)土壤微生物基礎(chǔ)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(chǔ)呼吸的變化。

由圖3可見，隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加，土壤基礎(chǔ)呼吸作用呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)處理濃度小于0.3%時(shí)，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(duì)照差異達(dá)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(duì)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(guān)(r=0.925，P<0.05)。

2.4 化學(xué)融雪劑對(duì)土壤酶活性的影響

不同濃度化學(xué)融雪劑對(duì)土壤酶活性的影響見圖4。由圖4可見，脲酶活性隨化學(xué)融雪劑濃度的增加而降低，0.2%～0.6%處理濃度比對(duì)照下降9.40%～45.51%，當(dāng)處理濃度大于0.5%時(shí)土壤中脲酶活性與對(duì)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(shì)，僅在處理濃度為0.6%時(shí)與對(duì)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(guān)(r=0.946，P<0.01)。

2.5 化學(xué)融雪劑對(duì)土壤礦化作用的影響

圖5為不同化學(xué)融雪劑濃度下土壤累積礦化量(NH4+-N和NO3--N含量之和)隨時(shí)間的變化。培養(yǎng)0～6 d內(nèi)各處理中蛋白胨迅速轉(zhuǎn)化為礦化氮，6 d后礦化趨勢(shì)減緩。當(dāng)處理濃度小于0.4%時(shí)土壤礦化氮量與對(duì)照無明顯差異，當(dāng)處理濃度為0.5%和0.6%時(shí)土壤中礦化氮含量明顯低于對(duì)照組。培養(yǎng)第28天0.5%和0.6%處理濃度的礦化氮含量分別是對(duì)照組的86.59%和74.35%，土壤礦化量隨著化學(xué)融雪劑濃度的增加而不斷降低，說明高濃度化學(xué)融雪劑對(duì)土壤氮礦化有明顯的抑制作用，且化學(xué)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(guān)關(guān)系(r=0.891，P<0.05)。

2.6 化學(xué)融雪劑對(duì)土壤硝化作用的影響

圖6為不同濃度化學(xué)融雪劑處理下土壤硝態(tài)氮(NO3--N)含量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化。

隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中的硝態(tài)氮含量呈明顯上升趨勢(shì)。隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加土壤硝態(tài)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(yǎng)第28天0.1%～0.6%處理濃度比對(duì)照下降7.80%～75.19%，當(dāng)處理濃度大于0.5%時(shí)對(duì)硝化的抑制與對(duì)照相比達(dá)顯著水平(P<0.05)。因此，高濃度化學(xué)融雪劑對(duì)土壤中硝氮轉(zhuǎn)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(guān)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(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的關(guān)鍵和動(dòng)力，是反映土壤環(huán)境變化的敏感性指標(biāo)[8,18]。

研究結(jié)果表明，隨化學(xué)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(dāng)處理濃度達(dá)0.5%和0.6%時(shí)生物量碳和微生物氮含量與對(duì)照相比顯著下降(P<0.05)，可見高濃度融雪劑對(duì)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(xì)菌生物量C/N比比真菌低，因?yàn)榧?xì)菌組織的蛋白質(zhì)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(xì)菌占優(yōu)勢(shì)[19]。隨化學(xué)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(xué)融雪劑處理濃度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.963，P<0.01)，表明過量施用化學(xué)融雪劑會(huì)導(dǎo)致微生物氮脅迫增強(qiáng)。化學(xué)融雪劑濃度的增加可能改變土壤原有的微生物種群，導(dǎo)致微生物多樣性降低，同時(shí)也影響了微生物種群的均勻度。KE等[22]在化學(xué)融雪劑對(duì)非根際土壤真菌和細(xì)菌種群影響的研究中指出化學(xué)融雪劑脅迫下細(xì)菌種群比真菌種群更穩(wěn)定；RATH等[8]的研究也發(fā)現(xiàn)真菌對(duì)土壤鹽漬化表現(xiàn)得更為敏感。鹽漬化能引起細(xì)菌脂肪酸含量30%的凈增加[23]，然而鹽漬土中細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)可能會(huì)造成復(fù)雜有機(jī)物分解困難，因?yàn)檎婢鷮?duì)木質(zhì)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(gè)有潛力的土壤生物指標(biāo)，土壤中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)以及養(yǎng)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(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，其活性在一定程度上能反映土壤的供氮能力，是與有機(jī)氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的最重要的土壤酶；過氧化氫酶可以破壞土壤生化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H2O2，其活性的提高可以增強(qiáng)土壤氧化還原能力及好氧微生物的數(shù)量，保證土壤微生物的正?；顒?dòng)[9,14]。有研究指出不同濃度(2.5和5.0 kg·m-2)化學(xué)融雪劑的添加均會(huì)導(dǎo)致4周內(nèi)土壤中大多數(shù)酶活性的降低[27]，筆者研究結(jié)果也表明化學(xué)融雪劑處理濃度的增加導(dǎo)致土壤脲酶和過氧化氫酶活性不同程度的下降，其對(duì)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(xué)融雪劑對(duì)微生物活性的抑制以及微生物數(shù)量的減少導(dǎo)致微生物向土壤中分泌的土壤酶量降低；另一方面，化學(xué)融雪劑改變了土壤環(huán)境，鹽分產(chǎn)生的滲透脅迫及離子毒害都會(huì)抑制土壤酶活性，影響了土壤酶功能的發(fā)揮[12]；此外，高鹽分的土壤可使根系分泌物產(chǎn)生連作效應(yīng)，導(dǎo)致土壤環(huán)境進(jìn)一步惡化，酶活性降低[9]，進(jìn)而抑制土壤的氮轉(zhuǎn)化。

土壤氮礦化是土壤有機(jī)態(tài)氮在微生物作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮的過程，礦化產(chǎn)生的NH4+-N和NO3--N為土壤微生物活動(dòng)及植物生長(zhǎng)提供了主要氮來源，也是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。微生物是土壤氮轉(zhuǎn)化的主體，由微生物驅(qū)動(dòng)的氮轉(zhuǎn)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(jī)質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)等)的影響[11]。有研究認(rèn)為礦化作用初期適當(dāng)?shù)柠}分有利于促進(jìn)土壤礦化作用，鹽分較高(35‰)時(shí)對(duì)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(shí)顯著下降[29]。隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)化學(xué)融雪劑對(duì)土壤的礦化作用和硝化作用的抑制與對(duì)照相比達(dá)顯著水平。GREEN等[30]關(guān)于長(zhǎng)期使用化學(xué)融雪劑對(duì)路域土壤中低濃度銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中的高Na 離子導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮含量降低。JIA等[12]的研究結(jié)果也表明，低水分處理下土壤處理鹽度的增加對(duì)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(guān)關(guān)系，表明化學(xué)融雪劑對(duì)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(guān)，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(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性[30]或土壤酶活性[12]，進(jìn)而導(dǎo)致凈氮礦化速率和凈硝化速率的降低。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)探明不同濃度化學(xué)融雪劑對(duì)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(jìn)一步探究其對(duì)土壤礦化作用和硝化作用的影響。高濃度化學(xué)融雪劑(0.5%和0.6%)對(duì)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(xué)融雪劑處理濃度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.963，P<0.01)，表明過量使用化學(xué)融雪劑導(dǎo)致微生物氮脅迫增強(qiáng)，土壤微生物群落中真菌數(shù)量顯著減少，細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)群落。隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加，土壤基礎(chǔ)呼吸作用呈先上升后下降的趨勢(shì)，說明低濃度化學(xué)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(xiàn)在微生物呼吸產(chǎn)生的CO2增加。代謝熵和化學(xué)融雪劑處理濃度之間成顯著正相關(guān)關(guān)系(r= 0.925，P<0.05)，表明隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加，其對(duì)土壤微生物的脅迫作用越大。化學(xué)融雪劑處理濃度的增加導(dǎo)致土壤的脲酶和過氧化氫酶活性不同程度下降，其中對(duì)脲酶抑制程度更為明顯。隨化學(xué)融雪劑處理濃度的增加和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)與對(duì)照相比達(dá)到顯著水平。