全 文 ：镉在有机酸存在时对红壤中微生物生物量的影响*
廖 敏* * 黄昌勇 (浙江大学环境与资源学院,杭州 310029)
摘要 在预培红壤中加入定量的有机酸和不同浓度的 Cd, 25 ! 培养 14d, 测定土壤微生物生物量 C
( Cmic)、N( Nmic) ,结果表明, 存在有机酸时,土壤中 Cmic和 Nmic随着 Cd 浓度的增加而降低; Cmic/ Nmic随着 Cd
浓度的增加而升高. 施加低分子量有机酸的土壤中, Cd 浓度高于 25mg∀kg- 1土时, 土壤中 Cmic和 Nmic均比
未加有机酸时低, 说明此时低分子量有机酸助长 Cd 的毒性, 而 Cd 浓度低于 25mg∀kg- 1土时, 土壤中 Cmic
和 Nmic均比未加有机酸时高 ,说明此时低分子量有机酸可降低部分 Cd 的毒性;施加胡敏酸的土壤中, 土壤
中 Cmic和 Nmic均比未加有机酸时高, 说明胡敏酸降低 Cd 的毒性并提供 N 源. 不含 Cd 时,加入有机酸导致
土壤中 Cmic和 Nmic增加 ,其中胡敏酸最明显.
关键词 有机酸 镉 微生物生物量 红壤
文章编号 1001- 9332( 2002) 03- 0300- 03 中图分类号 S154 2, X503 2 文献标识码 A
Microbial biomass affected by cadmium with the occurrence of organic acids in red soil. L IAO Min and
HUANG Changyong ( College of Environmental Sciences and Natural Resour ces , Zhej iang University ,
Hangzhou 310029) . Chin. J . A pp l . Ecol. , 2002, 13( 3) : 300~ 302.
Soil microbial biomass carbon and nitrogen w ere determined after adding fix ed concentration of organic acids and
changeable concentration of cadmium in preincubated r ed soil and 14day incubation at 25 ! . The results show
that soil microbial biomass carbon and nitrog en in the soil added with organic acids decreased with increasing con
centration of cadmium. When the concentration of cadmium w as higher than 25 mg∀kg- 1 , the microbial biomass
carbon and nitrogen in t he soil added w ith low molecular w eight of org anic acids ( ox alic acid, acetic acid, citric
acid, tartar ic acid) w er e lower than those without the addition of or anic acids, indicat ing that low molecular
weight of organic acids could increase the tox icity of cadmium. On the contrary, the microbial biomass carbon
and nitrogen in the soil added w ith low molecular weight of oranic acids w ere higher than those without the addi
tion of organic acids w hen the concentration o f cadmium was low er than 25 mg∀kg- 1 , indicating that low molec
ular w eight o rganic acids could decr ease the tox icity of cadmium. The microbial biomass carbon and mitrogen in
the so il containing humic acid w ere higher t han those w ithout the addition of organic acids, indicating that humic
acid could decr ease the tox icity o f cadmium. How ever , the C#N ratio of soil microbial biomass was increased wit h
incr esing concentration of cadmium. Organic acids could increase microbial biomass carbon and nitrog en when
soil was not added w ith cadmium.
Key words Organic acid, Cadmium, M icrobial biomass, Red soil.
* 国家自然科学基金资助项目( 49601013) .
* * 通讯联系人.
2000- 01- 12收稿, 2000- 04- 25接受.
1 引 言
土壤微生物生物量及活性能明显影响土壤肥力
的持续性[ 20] .土壤微生物的主要功能一是通过分解
代谢促进有机质分解和养分释放;二是通过合成代
谢构成新的细胞物质和代谢产物. 因此,土壤微生物
在陆地生态系统的能量流通、养分循环和植物生产
中起着极其重要的作用. 重金属污染问题是当今农
业生产上面临的重要问题之一, 重金属污染能降低
土壤微生物的数量和活性, 对土壤的持续生产力产
生负面影响[ 1, 4~ 6, 8, 13] .
Cd作为有害的重金属,在研究重金属引起的环
境污染时,总是被列为优先考虑的对象. 有关 Cd 对
作物生产及进入食物链的负面影响,前人已做过详
细研究[ 7, 10] . Cd、Pb与其它金属的交互作用对土壤
微生物生物量的影响也有部分报道[ 2, 3, 12, 13] , 有机
酸、腐殖酸是土壤中普遍存在的一类有机化合物,对
土壤肥力、重金属的环境行为等产生巨大的影
响[ 14, 18] , 但在有机酸存在情况下, Cd对土壤微生物
生物量影响的报道却甚少. Cd与有机酸之间的作用
可能是积极的、也可能是负面的或无任何影响. 本研
究旨在探讨 Cd与有机酸的相互作用对土壤微生物
生物量的影响.
2 材料与方法
2 1 供试土壤
供试土样采用发育于 Q 2红土的水田黄筋泥和旱地黄筋
泥, 采自浙江衢州十里丰农场,其粘土矿物以高岭石为主. 土
样的基本性质用常规法测定(表 1) [ 15] .
应 用 生 态 学 报 2002 年 3 月 第 13 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2002, 13( 3)#300~ 302
表 1 供试土壤理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of the soi ls studied
土壤
Soil
颗粒组成M echanical compositon( g∀kg- 1)
> 0. 02mm 0. 002~ 0. 02mm < 0. 002mm
pH
(H2O)
有机质
Organic matter
( g∀kg- 1)
CEC
( cmol∀kg - 1)
交换性 Ca
Exchangeable Ca
(mg∀kg- 1)
交换性Mg
Exchangeable Mg
(mg∀kg- 1)
总 Cd
T otal Cd
(mg∀kg- 1)
旱地黄筋泥 100 510 390 4. 89 7. 2 7. 44 9. 9 15. 0 BDL*
Red clayey upland soil
水田黄筋泥 70 570 360 4. 97 13. 2 9. 39 16. 6 160 BDL*
Red clayey paddy soil
* BDL 为低于检测限 Below detection lim it .
22 研究方法
221 土样的预处理 土样为表层 0~ 20cm 的新鲜土,自然
风干,过 2mm 孔筛,去除植物根系,放置于 4! 冰箱保存. 在
进行有机酸与Cd 的联合作用对微生物生物量的影响试验之
前,调节土壤含水量至 40%田间持水量,在 100%湿度, 25!
下培养 7~ 10d.
222 土壤微生物生物量 C( Cmic)及土壤微生物生物量 N
( Nmic) 测定 采用熏蒸提取法测定土壤 Cmic及土壤
Nmic
[ 11, 17, 1 9] .
223 有机酸条件下 Cd 对土壤 Cmic和 Nmic的影响 称取
100g预处理过的土样 30 份(分为不含有机酸和含胡敏酸、
柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸等的 6 个系列 )于 250ml的塑
料烧杯中,加入有机酸浓度为 2. 0mmol∀kg - 1土、Cd 浓度为
0、50、100、150、200、250mg∀kg- 1土的硝酸 Cd溶液(用 NaOH
或HNO 3调节各系列的 pH 为 5. 0) , 保持田间持水量为
50% ,于 25! 培养 14d(这是由于 0~ 14d 是微生物对外加重
金属的最佳应激期, 之后进入恢复期[ 16] ) . 然后取样进行
Cmic和 Nmic的测定.
3 结果与讨论
31 Cd对土壤 Cmic的影响
随着 Cd的浓度增加, 水田和旱地黄筋泥中土
壤 Cmic迅速降低(图 1) . 在所有 Cd 浓度下, 存在胡
敏酸的土壤中 Cmic均比未加有机酸的土壤高. 当 Cd
浓度低于 25mg∀kg - 1时, 存在低分子量有机酸的土
壤中 Cmic略高于未加有机酸的土壤;而 Cd浓度高于
25mg∀kg - 1时, 存在低分子量有机酸的土壤中 Cmic
比未加有机酸的土壤低, 其中含有酒石酸和柠檬酸
的土壤中,土壤 Cmic减少较多. 此外, 草酸和乙酸存
在时, 土壤 Cmic与未加有机酸时较接近; 而在酒石酸
和柠檬酸存在条件下, 土壤 Cmic比未加有机酸下降
较多.由此可见,高分子量有机酸(胡敏酸)有明显降
低 Cd对土壤微生物量毒害的作用. Cd浓度较低时,
低分子量有机酸可部分减轻 Cd的毒害作用; 而 Cd
浓度较高时, 低分子量有机酸具有一定的促进 Cd
毒害的作用,其中草酸和乙酸的促进作用较弱,而酒
石酸和柠檬酸的促进作用较强. 此外, 土壤中不含
Cd时, 有机酸的加入可导致土壤 Cmic增加, 其中胡
敏酸的作用最为明显.
图 1 有机酸存在时 Cd对水田和旱地黄筋泥微生物生物量C的影响
Fig. 1 Effect of cadmium on the microbial biomass carbon w hile organic
acids was added in red clayey upland soil and red clayey paddy soil.∃ 水田 Red clayey paddy soil, - - 旱地 Red clayey upland soil. % . 柠
檬酸 Citric acid, & .酒石酸T artaric acid, ∋ .乙酸 Acetic arid, (.草酸
Oxalic arid, ) . 胡敏酸 Humic arid, ∗ .无有机酸 CK.下同 T he same
below.
32 Cd对土壤 Nmic的影响
随着 Cd 浓度的增加, 土壤 Nmic迅速减少(图
2) . 与未加有机酸时相比,存在胡敏酸时,土壤 Nmic
下降较快;存在草酸和乙酸时,土壤 Nmic与未加有机
酸时较接近;而在酒石酸和柠檬酸存在条件下, 土壤
Nmic比未加有机酸时下降较多.在所有 Cd浓度下,
存在胡敏酸的土壤中, 土壤 Nmic均比未加有机酸的
土壤高出许多.在含有低分子量有机酸的土壤中,当
Cd浓度低于 25mg∀kg- 1时,土壤 Nmic比未加有机酸
土壤稍高;而 Cd浓度高于 25mg∀kg- 1时,土壤 Nmic
比未加有机酸的土壤低, 其中含有酒石酸和柠檬酸
的土壤中, 土壤 Nmic减少较多.由此可见, 高分子量
有机酸(胡敏酸)有明显地降低 Cd 毒害微生物生物
量作用.在 Cd浓度较低时, 低分子量有机酸可减轻
Cd的部分毒害作用;而当 Cd浓度较高时,低分子量
有机酸具有一定的促进 Cd毒害的作用, 其中草酸
和乙酸的促进作用较弱, 而酒石酸和柠檬酸的促进
作用较强.此外, 土壤中不含 Cd 时, 加入有机酸的
可导致土壤 Nmic增加,其中胡敏酸的作用最明显.
33 Cd对土壤 Cmic / Nmic的影响
随着 Cd浓度的增加, 土壤 Cmic / Nmic逐渐升高
(图 3) .与未加有机酸时相比, 存在胡敏酸时, 土壤
Cmic/ Nmic上升较慢; 土壤中存在草酸时, 土壤Cmic/
3013 期 廖 敏等:镉在有机酸存在时对红壤中微生物生物量的影响
图 2 有机酸存在时Cd对水田和旱地黄筋泥微生物生物量 N的影响
Fig. 2 Effect of cadmium on the microbial biomass nit rogen w hile organic
acids w as added in red clayey upland soil and red clayey paddy soil.
图 3 有机酸存在时 Cd对水田和旱地黄筋泥微生物生物量 CN 比
的影响
Fig. 3 Ef fect of cadmium on the microbial biomass C#N rat io w hile or
ganic acids w as added in red clayey upland soil and red clayey paddy soil.
Nmic与未加有机酸时较接近.而存在乙酸、酒石酸和
柠檬酸时,土壤 Cmic/ Nmic与未加有机酸时相比上升
较快. 由此可见, 土壤中的有机酸在影响 Cd毒性的
同时, 还与 Cd相互作用, 影响着土壤微生物物质交
换的组成.
综上可见, 其机理可能与有机酸和 Cd 在土壤
中的相互作用有关.由于胡敏酸对土壤具有较强的
亲和力, 通过络合及吸附作用, 在 Cd与土壤间形成
桥键,促进 Cd迁移到土壤中,降低了 Cd的有效性.
而低分子量有机酸, 由于其与土壤表面的作用较弱,
只有少量被土壤吸附,大部分保留在土壤溶液中, 因
此表现为 Cd浓度较低时,迁移到土壤中的 Cd比未
加有机酸时略有增加,部分降低了 Cd的有效性; Cd
浓度较高时,由于有机酸所增加的吸附位很快饱和,
Cd与土壤溶液中的低分子量有机酸形成水溶性的
络合物, 保留在土壤溶液中, 增强了 Cd 的有效
性[ 9] .此外, 不加 Cd的土壤中,有机酸的加入, 为微
生物提供了 C 源, 导致土壤微生物量的增加; 同时
胡敏酸能提供 N 源,使土壤 Nmic明显高于含有其它
有机酸的土壤.
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作者简介 廖 敏, 男, 1970 年生, 博士, 讲师, 主要从事土
壤污染化学、土壤及水生物化学和生态毒理学等方面的研
究,发表论文 10 余篇. T el: 057186971145, Email: L iaomin@
zju. edu. cn
302 应 用 生 态 学 报 13卷