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连续施用改性生物质炭对镉铅土壤修复效果及其对微生物群落结构的影响

2022-08-02杨素勤魏森张彪李煊桢张玉鹏马振华宁欣杰魏宏杨

农业环境科学学报 2022年7期
关键词:铅含量群落生物质

杨素勤,魏森,张彪*,李煊桢,张玉鹏,马振华,宁欣杰,魏宏杨

(1.河南农业大学资源与环境学院,郑州 450002;2.河南农业大学林学院,郑州 450002)

施用土壤调理剂是降低土壤有效态重金属含量和作物吸收量的可行措施。在诸多土壤调理剂中,生物质炭的应用前景广阔。生物质炭是生物质原料在限氧条件下得到的热解产物,主要通过吸附或螯合等方式来降低重金属的毒害作用,改善土壤理化性质。生物质炭可通过土壤pH、土壤有机质以及微生物群落组成等多种机制的协同作用影响重金属有效性。在大田条件中,两种以上重金属的复合污染较为常见,仅施用单一调理剂难以达到理想的稳定效果,而配施不同调理剂可解决这一问题。有研究发现,生物质炭和磷酸盐配合施用对铅钝化的效果好于单一施用两种固化剂。相比于生物质炭,含磷物质能通过沉淀等方式明显降低铅等重金属的活性。研究证实,含磷化合物可以降低土壤中铅的生物有效性,铅可与磷在氯离子存在条件下形成极稳定的磷氯铅矿[Pb(PO)Cl],明显降低植物对铅的吸收。磷酸盐的溶解性是制约其钝化修复铅污染土壤的重要因素,水溶性磷酸盐能够有效降低镉、铅、锌等重金属的生物有效性,研究表明,水溶性磷酸盐在降低重金属的生物有效性上效果好于难溶性磷酸盐。当土壤中加入水溶性磷酸盐时,土壤溶液中形成的PO可以与Cd和Pb形成磷酸盐沉淀。

土壤微生物对重金属胁迫的敏感程度大于动植物,因此可用于预测土壤生态系统及环境质量的变化,及时反映土壤污染状况。在重金属污染土壤中,微生物会在数量、多样性和群落结构等方面有所响应。BRUCE的研究表明,农田土壤中过多的重金属会显著降低土壤微生物的多样性。陈兆进等通过对新乡市镉污染土壤细菌群落组成及其对镉固定效果的研究发现,随着镉污染的加重,芽孢杆菌属和节杆菌属等高效固定重金属的细菌逐渐占据优势。生物质炭可以将微生物吸附到其表面,作为微生物栖息的微环境,从而减少微生物的生存竞争。姚钦的研究表明生物质炭对门水平的真菌群落结构没有显著影响,但是改变了属水平上真菌群落的结构。通常微生物对土壤环境变化有很强的敏感性,施磷可改变作物根系生长和养分吸收等过程。向君等的研究表明,施磷能增加干旱胁迫下箭竹根际土壤养分含量和微生物生物量,改善根际土壤微生物群落结构。而短期磷添加显著增强了土壤微生物对碳源的利用能力,一定程度上提高了土壤微生物群落功能多样性。通常认为,土壤中微生物多样性越高,其抗环境胁迫能力和作物生产能力就越强。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验点位于豫北某地铅冶炼企业周边污染农田。该区域属暖温带大陆性季风气候,年平均气温14.5℃,年均降水量567.9 mm,土壤基本理化性质见表1。土壤pH>7.5,镉、铅含量均高于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中规定的农用地土壤污染风险筛选值(镉0.6 mg·kg、铅170 mg·kg),但低于风险管控值(镉4.0 mg·kg、铅1 000 mg·kg),属于安全利用类耕地。

表1 供试土壤理化性质和重金属含量Table 1 Physical and chemical properties and heavy metal content of the tested soil

土壤调理剂为磷酸改性稻壳生物质炭,pH 5.5,可提取态磷含量750 mg·kg,铅含量1.75 mg·kg,镉含量0.08 mg·kg,比表面积76.6 m·g。每年的施用量为11.19 t·hm。

试验设置不施用调理剂的对照(CK)、2015—2016年施用2 a调理剂后停施(Y)、2015—2017年连续施用3 a后停施(Y)、2015—2018年连施4 a后停施(Y)、2015—2019年连施5 a后停施(Y),共5个处理,每个处理4次重复。

为对比土壤调理剂对环境质量的影响,对所采土壤样品进行高通量测序分析。采集0~20 cm表层土壤充分混匀,部分土壤样品装于无菌袋中,用冰块冷冻保存后带回实验室保存在-80℃冰箱内,用于土壤微生物多样性和群落结构的测定;其余土壤样品风干后研磨过筛,用于土壤理化性质的测定。小麦成熟期采集籽粒样品,带回实验室后洗净、烘干并粉碎。

1.2 测定方法

土壤pH用2.5∶1水土比浸提后使用pH计测定;碱解氮使用碱解扩散法测定;速效磷采用0.5 mol·LNaHCO浸提-钼蓝比色法测定;速效钾采用1 mol·L中性NHOAC浸提-火焰光度计法测定;土壤有效态镉、铅含量用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定;小麦籽粒镉、铅含量用HNO-HClO消解后使用石墨炉原子吸收分光光度计法测定。

采用高通量测序技术对土壤样品的微生物群落结构进行检测,采用引物338F(5'-ACTCCTACGGG AGGCAGCAG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3')对细菌的16S rRNA的V3~V4区进行扩增,采用引物ITS1F(5'-CTTGGTCATTTAGAGG AAGTAA-3')和ITS2R(5'-GCTGCGTTCTTCATCG ATGC-3')对真菌的ITS1区进行扩增。扩增得到的PCR产物用QuantiFluor-ST蓝色荧光检测系统进行定量,样品按照测序要求混合均匀。高通量测序在上海美吉生物医药科技有限公司完成,数据处理借助美吉生物云平台进行。

1.3 数据统计及分析

使用Origin 2018和SPSS 21.0进行数据整理、制图与统计分析,Duncan法多重比较检验各因素处理间的差异显著性(<0.05)。微生物试验数据分析前按最小样本序列数进行抽平处理。主成分分析利用R语言(version 3.3.1)PCoA统计分析并制图;群落热度图(Heatmap)的软件及算法采用R语言(version 3.3.1)vegan包的方法;组间差异显著性检验分析采用Wilcox秩和检验(Wilcoxon rank-sum test);环境因子关联分析利用R语言vegan包中的RDA分析并制图。

2 结果与分析

2.1 改性生物质炭对土壤pH的影响

相比于CK,本研究中改性生物质炭的施用均降低了土壤pH,不同处理土壤pH的降幅可达0.27~0.57;随着施用年限的延长,土壤pH呈现先降低后增加的趋势(图1)。

图1 调理剂施用对土壤pH的影响Figure 1 Effect of modifier application on soil pH

2.2 改性生物质炭对土壤有效态镉、铅含量及小麦籽粒镉、铅含量的影响

与CK相比,施加调理剂后土壤有效态镉、铅含量均明显降低(图2)。其中,有效态镉含量最低为0.54 mg·kg,降幅达到46%,有效态铅含量最低为43.5 mg·kg,降幅达到36%。连续施用调理剂2 a后土壤有效态镉、铅含量即显著降低,之后随着连续施用年限的增加降低幅度有所减小;Y处理有效态镉含量最低,而Y、Y和Y处理间没有显著差异;Y处理土壤有效态铅含量最低,Y、Y和Y处理间没有显著差异。

图2 各处理土壤有效态镉、铅含量Figure 2 Contents of soil available Cd and Pb in different treatments

各处理小麦籽粒镉、铅含量如图3所示。与CK相比,施加调理剂的各处理小麦籽粒镉含量显著下降。随着调理剂施用年限的增加,小麦籽粒镉含量呈不断下降的趋势,但所有处理下均超出《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)规定的限值;Y处理籽粒镉含量最低,与CK相比降低幅度达到43%,而Y、Y和Y处理间差异不显著。对小麦籽粒中铅而言,所有处理均未超过GB 2762—2017规定的限值,与CK相比,Y处理籽粒铅含量未达到显著差异,Y处理籽粒铅含量显著降低,与CK相比降低幅度达到35%,而Y、Y和Y处理间差异不显著。

图3 各处理籽粒镉、铅含量Figure 3 Contents of Cd and Pb in grains in different treatments

2.3 改性生物质炭对微生物多样性的影响

各处理细菌和真菌Alpha多样性指数如表2所示。施用土壤调理剂对细菌多样性的影响大于真菌。对细菌来说,相比于CK,各处理Shannon指数均增加,而Simpson指数则均有所降低,说明土壤细菌的多样性增加;Chao指数、Ace指数均显著升高,表明土壤细菌群落的多样性及丰富度均增加;但Y、Y和Y处理与Y处理相比并没有进一步增加细菌多样性和丰富度。各处理真菌多样性与CK相比虽有上升,但差异并不显著。

表2 各处理细菌和真菌Alpha多样性指数Table 2 Alpha diversity index of bacteria and fungi in different treatments

主坐标分析(PCoA)可以通过对不同微生物群落间的物种多样性进行组间比较分析,探索不同分组样本间群落组成的相似性或差异性。细菌群落组成相似度越高,在PCoA图中的距离越近。细菌和真菌属水平上PCoA分析结果如图4所示,CK处理的微生物种群单独分布,与其他处理的细菌群落结构表现出较大的差异性;而施加调理剂的4个处理土壤微生物群落组成较为相似。

图4 属水平上土壤细菌和真菌群落PCoA分析Figure 4 PCoA analysis of soil bacterial and fungal communities at genus level

2.4 改性生物质炭对土壤微生物群落结构的影响

将微生物按样本间丰度的相似性进行聚类,使高丰度和低丰度的物种分块聚集,呈现群落物种组成及物种的丰度信息,并通过颜色的变化展示细菌群落组成的相似性和差异性。其中,红色越深代表丰度越高,蓝色越深代表丰度越低。

各处理丰度前30的细菌属群落热度图与聚类树如图5a所示。其中,、为丰度最高的菌属,(芽孢杆菌属)、、(盖氏菌属)、(鞘氨醇单胞菌属)、(链霉菌属)、(节杆菌属)和(类诺卡氏菌属)等菌属的丰度变化较为明显。

各处理丰度前30的真菌属群落热度图与聚类树如图5b所示。丰度最高的菌属为(被孢霉属)、(裂壳属)、(赤霉菌属)。与CK相比,、、、和等菌属的丰度均有所提升,而、、和等菌属的丰度则明显降低。

图5 属水平上细菌和真菌群落结构及分布Figure 5 Structure and distribution of bacterial and fungal communities at genus level

2.5 土壤微生物的属水平差异分析

由于施用调理剂的成分一致,因此本研究将所有调理剂处理的细菌和真菌群落结构合并后视为一个处理(CT),与对照(CK)处理进行组间差异显著性检验分析,基于群落丰度数据,展示微生物群落中群落丰度差异显著的前15个菌属。

细菌组间差异显著性检验结果如图6a所示,与CK相比,施用土壤调理剂后、、、、、(苔藓杆菌属)、(大理石雕菌属)和等菌属的丰度显著降低,、、、(假双头斧形菌属)、、(慢生根瘤菌属)和等菌属的丰度显著升高。

真菌组间差异显著性检验结果如图6b所示,与CK相比,(被孢霉属)、(篮状菌属)、、(腐质霉属)、(树粉孢属)、(木霉属)、(瓶毛壳属)和(绿僵菌属)等菌属的丰度显著升高,而、、、、(帚枝霉属)、(柄孢壳属)和等菌属的丰度显著降低。

图6 细菌和真菌丰度差异显著物种Figure 6 Species with significant differences in bacterial and fungal abundance

2.6 环境因子对微生物的驱动作用

为了进一步明确环境因子影响土壤菌群的驱动机制,对属分类水平的主要细菌、真菌群落丰度与土壤理化因子进行Pearson相关分析,结果如表3所示。在优势细菌属中,与土壤有效态镉含量呈显著负相关;与调理剂施用年限呈显著负相关;与土壤有效态镉、铅含量呈显著正相关,与土壤pH呈极显著正相关,与调理剂施用年限呈极显著负相关;与调理剂施用年限呈显著正相关,与土壤有效态镉、铅含量呈极显著负相关。在优势真菌属中,与土壤有效态铅含量呈显著负相关,与土壤有效态镉含量呈极显著负相关;与土壤有效态铅含量呈显著正相关,与土壤pH和有效态镉含量呈极显著正相关,与调理剂施用年限呈极显著负相关;与有效态镉含量呈显著正相关,与土壤pH呈极显著正相关,与调理剂施用年限呈显著负相关;与调理剂施用年限呈显著正相关,与土壤pH和有效态镉、铅含量呈显著负相关。

表3 优势菌群与环境因子的相关性分析Table 3 Correlation analysis between dominant microflora and environmental factors

3 讨论

3.1 改性生物质炭对土壤及小麦籽粒镉、铅的影响

本研究中,施入改性生物质炭后,土壤有效态镉、铅含量均显著降低。施用4 a处理中,土壤pH达到最低;有效态镉含量在施用5 a处理中达到最低,有效态铅含量在施用4 a处理中达到最低,说明调理剂的连续施用可以进一步降低重金属活性。本研究中各处理均降低了作物籽粒中镉含量,但小麦镉含量均未达到GB 2762—2017的限值要求,应进一步联合种植低积累品种等措施来实现农产品安全生产。本研究中所有处理下的小麦籽粒铅含量均符合国家标准,其中Y处理铅含量未显著减少,其他各处理(Y、Y和Y)与CK相比均显著降低了铅污染风险,但3个处理之间的差异不显著。

3.2 改性生物质炭对土壤细菌多样性及群落结构的影响

微生物多样性和群落结构一定程度上反映了生态系统的健康和稳定,是评价土壤质量的重要指标。大量研究表明,土壤微生物受土壤理化性质和土壤重金属等环境因素影响。土壤pH是制约土壤微生物活动和作物生长的主要因素之一,pH过高的土壤不利于作物根系和根际微生物的生长。此外,重金属可抑制土壤微生物的生长繁殖,对其群落结构和功能产生显著的影响。向石灰性污染土壤中施用适量的改性生物质炭后,部分土壤pH降低,使得土壤中部分细菌和真菌的丰度增加,同时土壤有效态镉、铅含量降低,从而提升了土壤微生物多样性,生物质炭丰富的孔隙结构为微生物提供了良好的栖息环境,有利于土壤微生物的定殖,并能有效减少微生物之间的生存竞争;生物质炭丰富的氮、磷、钾等营养元素可以为微生物提供养分来源,提高土壤微生物的活力,促进土壤微生物多样性的恢复。因此,在重金属污染土壤中施用改性生物质炭可以通过改善土壤理化性质为微生物提供生存空间和养分物质,同时降低土壤重金属对微生物的毒性。土壤的基本性质、重金属的有效性及改性生物质炭的交互作用可对微生物多样性和群落结构产生直接或间接的作用。

本研究发现各处理中丰度较高的细菌菌属均为、和。其中是土壤中常见的丰度较高且具有解磷能力的细菌类群,其分泌的次生代谢物能够诱导植物产生抗病性,具有较强的促生作用。调理剂的施用改变了土壤细菌的群落结构,土壤中、(假双头斧形菌属)、、(慢生根瘤菌属)、等细菌菌属的丰度显著提升,(类诺卡氏菌属)、(苔藓杆菌属)、(大理石雕菌属)等菌属的丰度则显著下降。就本研究中丰度显著增加的菌属而言,是植物根际的有益细菌,与土壤有机质的含量密切相关,其能促进植物对激素、生物碱及氮的代谢过程;是重要的固氮细菌,可将大气中的N固定转化为土壤氮源。本研究中丰度显著降低的菌属中,作为一种嗜盐放线菌,可在极端环境下生存,与铜、锌、镉、砷等重金属均呈现出显著正相关关系,其丰度改变可能是对土壤重金属含量变化的应激反应。有研究表明,与是潜在有益菌,可以促进作物生长,提高作物抵抗病害的能力,但在本研究中这两种细菌丰度均有所下降。与CK相比,各处理(节杆菌属)的丰度变化虽不显著,但可从热度图中看出其丰度明显降低,这与陈兆进等的研究结果一致。本研究相关性分析结果也表明,的丰度与土壤有效态镉、铅含量呈极显著负相关,的丰度与土壤pH呈极显著正相关,与调理剂施用年限呈显著负相关。此外,本研究发现、、等部分未分类细菌也与土壤理化因子存在显著相关关系,这些还需进一步验证研究。

3.3 改性生物质炭对土壤真菌多样性及群落结构的影响

大多数真菌在土壤中扮演分解者的角色,在土壤能量传递、物质循环等方面具有不同的作用和特性,70%左右的植物侵染性病害都是由真菌引起的。本研究中,土壤调理剂对真菌的多样性指数没有显著的影响,这与殷全玉等的研究结果相似。改性生物质炭改变了真菌的群落结构,显著增加了(被孢霉属)、(篮状菌属)、和(腐质霉属)的丰度,同时显著降低了(赤霉菌属)、(裂壳属)和(帚枝霉属)等菌属的丰度。本试验丰度显著增加的菌属中,是土壤中植物残体的重要分解菌,可通过分解植物残体提升土壤养分状况;具有产纤维素酶活性,能够降解木质纤维素,且对植物病原菌有拮抗作用。除此之外,部分可向土壤中分泌挥发性有机物,促进幼苗生长并增强抗病性;也会产生热稳定性纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶等,具有促进纤维素分解的作用。本试验丰度显著降低的菌属中,会导致小麦赤霉病,直接降低小麦产量和品质,最终通过食物链对人体健康产生危害;而能在小麦上广泛定殖,并产生抑制赤霉病菌的次生代谢物。本研究相关性分析结果表明,与土壤有效态镉、铅含量呈显著负相关,与调理剂施用量呈显著正相关,但与土壤pH和有效态镉、铅含量呈显著负相关,与有效态镉含量和土壤pH呈显著正相关,却与调理剂施用年限呈显著负相关。本研究还发现未分类的真菌与土壤有效态镉、铅含量都存在显著正相关关系。

4 结论

(1)施用改性生物质炭显著降低了小麦籽粒镉、铅含量。与对照相比,连续施用调理剂2 a即显著降低小麦籽粒镉含量,随着施用年限的增加,籽粒镉含量进一步降低;施用3 a后小麦籽粒铅含量与对照相比显著降低,随着施用年限的继续增加,铅含量不再显著降低。施用改性生物质炭后,土壤有效态镉、铅含量的变化与籽粒基本一致。

(2)施用改性生物质炭可显著增加土壤细菌群落的多样性及丰富度,但对真菌多样性的影响较小;相比于真菌,生物质炭能更大程度减轻镉、铅对细菌的毒害,促进污染土壤微生物多样性的恢复;施用改性生物质炭年限不同,多样性指数虽有改变,但差异不显著。

(3)施用改性生物质炭显著提升了细菌中、和真菌中的丰度;降低了细菌中、和真菌中、的丰度,在一定程度上改善了土壤生态环境。

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