污灌对农田土壤微生物特性影响研究

张翠英，汪永进，徐德兰，王同勋

1. 江苏省徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221111；2. 江苏省徐州市云龙湖水库管理处，江苏 徐州 221008

随着环境污染的加剧，可利用的水资源日益减少，使农业用水受到严重威胁，针对这一现状，城市污水灌溉随之成为人们研究的热点（Orchard，1978）。污水灌溉在一定程度上能缓解水资源紧张的局面，对保护水资源有一定的益处，还能给农作物增加产量。但由于长期污灌，可能导致对农作物造成伤害、土壤环境质量和地下水水质的下降等问题。污灌在农业方面的应用国外的研究较多，作物种类和灌溉方式不同，对水质要求也不同（Mancino和Pepper，1992；Scott等，2003）；国内在这方面研究还处于起步阶段，大多数研究污灌对作物生长的影响（Feng等，2003；杨红霞，2002）。土壤微生物是土壤中最为活跃的因素之一, 其数量和组成与作物的生长有着密切的关系，尤其是在作物根部周围的微生物，它们能直接将根系周围的有机物转化为作物可以吸收利用的无机物，并且可以产生生长刺激素和抗生素，从而抑制病原微生物生长，刺激作物生长（中国科学院南京土壤研究所微生物室，1985）。

本研究从土壤微生物学的角度来探究污水灌溉对不同农田土壤中常见微生物如细菌、放线菌、真菌等和功能微生物如亚硝化细菌、硝化菌、氨氧化细菌、反硝化细菌、好气性自生固氮菌、好气性纤维素分解菌等数量和分布的影响，并分析污灌土壤微生物数量与土壤理化性状的关系，旨在为农业污水灌溉的实际应用及其标准的制定提供理论依据。

1 研究区域概况

奎河发源于江苏省徐州市铜山县汉王乡境内，经云龙湖水库调蓄后进入市区。由于上游水库平时关闭拦蓄，奎河水源主要来自徐州市沿岸130多家工厂的工业废水和市区 34万居民的生活污水，每日废水量达8×104～10×104t。在干旱季节，奎河下游关闸蓄水，未经处理的污水直接用于农灌（灌溉污水COD质量浓度为51~103 mg·L-1，总氮质量浓度为0.10~0.31 mg·L-1，总磷质量浓度为0.10~0.31 mg·L-1）。引用奎河污水灌溉的土地有徐州市铜山县三堡镇、安徽省宿县等，已有20多年的历史。

2 工作方法

2.1 采样方法

试验地设在徐州市三堡镇（奎河水农灌区，污灌区）及大龙口地区（对照区，清灌区），土壤为黄潮土。试验地每区各设3个处理：大豆（Glycine max）田、玉米（Zea mays）田、水稻（Oryza.sativa）田。在处理地块内取3个样点土壤的样品进行微生物区系及土壤理化性状分析。在靠近植株根系部，去除表层0~5 cm的表土，采集5~20 cm土壤剖面，多点采集，混匀后按四分法取1 kg，装入无菌塑料袋带回实验室，于4 ℃保存。

2.2 土壤中常见微生物数量测定

土壤中常见微生物按照平板计数法测定土样中细菌（Bacteria）、放线菌（Actinomycetes）和真菌（Fungus）的数量。细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌用改良高氏一号培养基，真菌用麦芽汁培养基(100 mL培养基加1滴乳酸)。

2.3 土壤中功能微生物数量测定

土壤功能微生物数量分析按照最大可能数(Most-Probable-Number，MPN)法测定土样中亚硝化细菌(Nitrite bacteria，NOB)、硝化细菌(Nitrate bacteria，NB)、氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)、反硝化细菌(Denitrifying bacteria，DB)、好气性自生固氮菌(Aerobic nitrogens-fixing bacteria，ANB)、好气性纤维素分解菌（Cellulose decomposing bacteria，CDB）的数量n(MPN)（杨红霞，2002）。其中亚硝化细菌、硝化细菌培养基为改良的斯蒂芬逊培养基A、B，氨氧化细菌培养基为蛋白胨氨化培养基，好气性自生固氮菌培养基为改良阿须贝无氮培养基，好气性纤维素分解菌培养基为赫奇逊氏培养基（李阜棣等，1996）。

2.4 土壤理化性质分析

土壤理化性状的分析项目及方法为：(1) 土壤有机质(Organic matter，OM)测定采用重铬酸钾一硫酸氧化法；(2) 全氮（Total nitrogen，TN）测定采用半微量凯氏法；(3) 全磷（Total phosphorus，TP）测定采用硫酸一高氯酸一钼锑抗比色法；(4) 氨氮(Ammonia nitrogen，AN)测定采用苯酚-次氯酸盐比色法；(5) 有效磷(Available phosphorus，AP)测定采用碳酸氢钠比色法（陈文新，1989；国家环境保护局水与废水监测分析方法编委会，2002）。

3 结果与分析

3.1 污灌土壤中微生物数量的变化分析

3.1.1 污灌土壤中常见微生物数量变化分析

不同灌溉方式对土壤常见微生物数量影响见表1，由表1可知，污灌土壤中的放线菌和真菌n(cfu)均少于清灌对照组，其数量分别减少 39.78%、79.55%；而污灌土壤中的细菌n (cfu)高于清灌土壤对照组，其数量增加50.39%。T检验分析结果表明：清、污灌溉土壤中细菌最大可能数存在显著差异（P<0.05），放线菌和真菌最大可能数差异均不显著。

3.1.2 污灌土壤中的功能微生物数量的变化分析

不同灌溉方式对土壤功能微生物数量影响见表2。由表2可知，污灌土壤中亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌 n(MPN)均少于清灌对照组，其数量分别减少 63.64%、87.50%、36.76%；而氨氧化细菌、好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌n(MPN)均高于清灌对照组，其数量分别增加100%、233.33%、364.71%。T检验分析结果表明：清、污灌溉土壤中氨氧化细菌和好气性纤维素分解菌最大可能数分别存在极显著差异（P<0.01）和显著差异（P<0.05），亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和好气性自生固氮菌最大可能数差异均不显著。

3.2 污灌对不同作物根际的微生物数量的影响

3.2.1 污灌对不同作物根际的常见微生物数量的影响

污灌地区大豆、玉米和水稻根际常见微生物数量分布见图1。由图1可知，在大豆根系土壤中，污灌组的细菌、放线菌和真菌 lg[n(cfu)]均大于清灌对照组，真菌存在显著性差异（P<0.05)，细菌、放线菌差异不显著。在玉米根系土壤中，污灌组的细菌lg[n(cfu)]显著高于清灌对照组(P<0.05)，污灌组的放线菌和真菌 lg[n(cfu)]少于清灌土壤对照组，其中真菌存在显著性差异（P<0.05)。在水稻根系土壤中，污灌组的细菌、放线菌和真菌 lg[n(cfu)]均小于清灌土壤对照组，真菌存在显著性差异（P<0.05)，细菌、放线菌差异不显著。由此可见，污灌对不同作物根际常见微生物数量分布影响较大，大豆根际微生物数量呈上升趋势，玉米根际微生物数量变化不一，水稻根际微生物数量呈下降趋势；而这3种作物根际真菌数量变化均呈显著差异，这说明污灌对土壤真菌数量影响很大。

表1 清、污灌溉土壤中常见微生物数量[n (cfu)] /g干土的几何均值Table 1 The geometric means of n(MPN) of the common microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

表2 清、污灌溉土壤中功能微生物最大可能数[n ( MPN)]/g干土的几何均值Table 2 The geometric means of n(MPN) of the functional microorganisms in the sewage irrigation and contrast treatment soil

3.2.2 污灌对不同作物根际的功能微生物数量的影响

污灌地区大豆田、玉米田和水稻田功能微生物数量分布见图2。由图2可知，在大豆根系土壤中，污灌组反硝化细菌 lg[n(MPN)]显著少于清灌土壤对照组（P<0.05)，而好气性自生固氮菌lg[n(MPN)]和好气性纤维素分解菌 lg[n(MPN)]均显著高于清灌对照组（P<0.05)，亚硝化细菌、硝化细菌、氨氧化细菌数量变化均不显著。在玉米根系土壤中，污灌组亚硝化细菌和硝化细菌 lg[n(MPN)]显著少于清灌对照组（P<0.05)，氨氧化细菌lg[n(MPN)]显著高于清灌对照组(P<0.05)，好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌 lg[n(MPN)]极显著高于清灌对照组(P<0.01)，反硝化细菌数量差异不显著。在水稻根系土壤中，污灌组反硝化细菌 lg[n(MPN)]显著高于清灌对照组(P<0.05)，亚硝化细菌和好气性自生固氮菌lg[n(MPN)]显著少于清灌对照组（P<0.05)，好气性纤维素分解菌 lg[n(MPN)]极显著高于清灌对照组(P<0.01)，硝化细菌和氨氧化细菌数量差异不显著。由此可见，污灌对不同作物根际功能微生物数量分布影响也较大，大豆、玉米和水稻根际功能微生物数量变化各有特点，但这 3种作物根际好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌数量变化均呈显著差异，而且好气性纤维素分解菌数量呈上升趋势，这说明污灌对土壤好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌数量影响很大，而且有利于好气性纤维素分解菌增殖。

图2 不同植物根际功能微生物数量变化情况Fig.2 The change of functional microorganisms number in different plants rhizosphere soil

3.3 污灌土壤微生物数量与土壤理化性状关系

3.3.1 污灌土壤中常见微生物数量与土壤理化性状关系

污灌土壤中常见微生物数量与土壤理化性状相互关系见表 3。分析表明：细菌与土壤中全氮、氨氮和有机质呈正相关，其中与有机质呈显著相关（r=0.843），放线菌与全磷呈极显著负相关（r=-0.921），真菌与与土壤理化性状之间均未达到显著性。

3.3.2 污灌土壤中功能微生物数量与土壤理化性状关系

污灌土壤中常见微生物数量与土壤理化性状相互关系见表 4。分析表明：亚硝化细菌、硝化细菌与土壤中总氮、氨氮呈正相关，其中亚硝化细菌与氨氮呈显著相关（r=0.973），这是因为土壤中为硝化细菌提供了充分的底物，促进其生长繁殖，是影响硝化细菌数的关键因素。土壤中氨氧化细菌可矿化有机氮成+供植物和微生物吸收利用，氨氧化细菌含量与土壤中的有效磷呈显著负相关（r=-0.967）。这可能是因为氨氧化细菌、反硝化细菌在生长代谢过程中消耗土壤中较多的有效磷有关。反硝化细菌、好气性纤维素分解菌与有机质呈正相关（r=0.220，r=0.843），因为有机物质丰富，能源充足，可有效地促进反硝化细菌、好气性纤维素分解菌的发育，有利于土壤培肥（宋秋华等，2002）。

表3 污灌土壤中常见微生物数量与土壤理化性状的相关系数Table 3 The correlation coefficient between the common microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

表4 污灌土壤中功能微生物数量与土壤理化性状的相关系数Table 4 The correlation coefficient between the functional microorganisms number and soil nutrients in the sewage irrigation soil

4 讨论与结论

4.1 讨论

污灌是随着工业、城市废污水排放量的增加和农业用水危机的加剧而出现的，污灌的发展在一定程度上缓解了水资源短缺，但长期大规模污灌引起土壤污染等问题，表现为土壤理化性质改变（郭晓明，2012）、有机物污染和重金属污染。污水主要含有COD、氨氮、重金属等污染物，对土壤微生物会产生一定影响。有研究发现，利用造纸废水污灌滩涂土壤后，土壤中细菌、放线菌和丝状真菌的数量都有明显增加（丁成，2003），而且在不同污染程度的土壤中，细菌多样性指数差异显著，最大值出现在中等污染程度土壤中（鲁海燕等，2010）。本研究中，奎河污灌农田土壤细菌、氨氧化细菌、好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌数量增加，而放线菌、真菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量的数量减少，其中细菌、好气性纤维素分解菌数量变化达显著水平(P<0.05)，氨氧化细菌达到极显著(P<0.01)水平。

有关污灌对农作物生长的研究较多，主要集中在产量影响、品质污染等方面（周海红和张志杰，2001；孙志强，1998），而污灌对农作物根系微生物影响的研究很少，本文研究污灌区大豆、玉米和水稻根系微生物发现，不同作物根系土壤普通微生物和功能微生物数量变化各有特点，分布差异很大，但都呈现真菌、好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌数量变化显著的发展趋势。相关性分析表明，细菌与有机质呈显著正相关（r= 0.843），这与黄明勇等对土壤微生物数量与土壤养分的关系分析结果相一致（黄明勇等，2007），放线菌与全磷呈极显著负相关（r=- 0.921），亚硝化细菌和好气性自生固氮菌数量与氨氮含量呈显著正相关（r=0.973，r=0.988），氨氧化细菌和反硝化细菌与有效磷含量呈显著负相关（r=-0.967，r=-0.988），反硝化细菌和好气性纤维素分解菌与有机质含量呈显著正相关（r=0.220, r=0.843）。这说明污灌对农田土壤微生物和理化特性影响显著，而对农作物影响呈现两面性。

4.2 结论

污灌减少农田土壤放线菌、真菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量，显著增加细菌、氨氧化细菌和好气性纤维素分解菌的数量；污灌区大豆、玉米和水稻根系土壤微生物数量分布差异很大，但都呈现真菌、好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌数量变化显著的趋势；污灌土壤中微生物含量与土壤理化性状相关分析表明，污灌土壤中微生物含量与土壤有机质、氨氮、有效磷含量相关性显著。

FENG S Y, QI Z M, HUANG G H. 2003. Effects of Fresh Water and Sewage Irrigation on Growth of Winter Wheat [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 22(3):11-14.

MANCINO C F, PEPPER I L. 1992. Irrigation of turfgrass withsecondary sewage effluent: Soil quality[J]. Agronomy Journal, 84(4): 650-654.

ORCHARD V A. 1978. Effect of irrigation with municipal water or sewage effluent on the biology of soil cores. (III): Actinomyceteflora[J]. New Zealand Journal of Agricultural Research, 21(1): 21-28.

SCOTT T L, JANUSZ A, PERKINS M V. 2003. Effect of amphetamine prescursors and by products on soil enzymes of two urban soils[J]. Bull Environ1 Contam1 Toxicall, 70: 824-831.

陈文新. 1989. 土壤和环境微生物学[M]. 北京: 农业出版社.

丁成. 2003. 造纸废水污灌对土壤微生物数量动态的影响[J]. 盐城工学院学报: 自然科学版, 16 (4) : 9-13.

郭晓明, 马腾, 陈柳竹, 等. 2012. 污水灌溉区土壤肥力及酶活性特征研究[J]. 生态环境学报, 21(1): 78-83.

国家环境保护局水与废水监测分析方法编委会编. 2002. 水与废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社.

黄明勇, 杨剑芳, 王怀锋, 等. 2007. 天津滨海盐碱土地区城市绿地土壤微生物特性研究[J]. 土壤通报, 38(6): 1131-1135.

李阜棣, 喻子牛, 何绍江. 1996. 农业微生物学实验技术[M]. 北京: 中国农业出版社.

鲁海燕, 曹靖, 杨鑫, 等. 2010. 白银地区污灌对农田土壤细菌多样性的影响[J]. 长春理工大学学报: 自然科学版, 33(2) : 110-116.

齐广平. 2001. 生活污水灌溉对苏子生长效应的影响[J]. 甘肃农业大学学报, 16(3): 329-332.

宋秋华, 李凤民, 王俊, 等. 2002. 覆膜对春小麦农田微生物数量和土壤养分的影响[J]. 生态学报, 22( 12) : 2125-2132.

孙志强. 1998. 污水灌溉对农业环境影响的研究[J]. 生态农业研究, 6(4) :68-71.

杨红霞. 2002. 大同市污水灌溉对农作物影响的研究[J]. 农业环境与发展, (4): 18-19.

中国科学院南京土壤研究所微生物室. 1985. 土壤微生物研究法[M]. 北京: 科学出版社.

周海红, 张志杰. 2001. 关中清灌区农田生态系统污染现状研究[J]. 环境污染与防治, 23 (6) : 309-328.