论文摘要
本文以"水稻-青菜"轮作制土壤生态系统为对象,综合运用室内外培养、作物盆栽试验、模型模拟,借助微生物代谢指纹图谱方法（Biolog）、磷脂脂肪酸（PLFA）等生物技术并结合传统微生物学方法,研究了黄红壤、青紫泥和小粉土等三种水稻土粮-菜轮作系统主要污染重金属铜对水稻和青菜的毒性效应,并重点探讨了铜胁迫下土壤微生物生态学特征（微生物生物量、呼吸、酶活性、区系组成、代谢剖面、群落结构等）。主要结论如下:1.铜污染对植物生长的毒害作用受植物种类和土壤理化性质的双重影响。铜对水稻和青菜生长的剂量效应表现为低铜浓度(50 mg kg-1)促进作物的生长,地上、地下部分生物量增加（小粉土除外）;100 mgkg-1铜显著增加了水稻的根系长度,增加了水稻的分蘖数、株高、穗长、从而显著增加总茎数,产量增加。更高的铜浓度则产生显著的抑制作用。黄红壤和青紫泥水稻铜致死浓度分别为1200 mg kg-1和1600 mg kg -1,而小粉土为50 mgkg-1;三种土壤改种青菜后的表观致死浓度都为800 mg kg-1。铜对作物毒害的生理基础为,50 mg kg-1Cu2+促进青菜根系体积、直径和叶绿素增加及水稻产量构成因素,青菜根系长度和表面积及水稻总茎数及单茎成穗数显著增加,显著增产。更高的铜浓度则抑制了SOD活性、叶绿素含量及光合作用,丙二醛MDA含量下降,脯氨酸含量显著下降,造成青菜减产。外源铜浓度大于400mg kg-1则极显著抑制水稻叶绿素合成,减少穗数、穗粒数和千粒重,产量下降。2.水稻茎叶对铜的吸收随土壤铜污染浓度的升高而呈指数式增长,水稻根系和籽粒中的铜浓度随外源铜浓度的增加而极显著线性增加。水稻不同的器官对土壤铜吸收的顺序为:根》茎叶>糙米。但外源铜浓度超过400 mg kg-1能够导致糙米铜含量超过食品安全标准。青菜根系的铜含量高达77.77%-80.41%,随铜浓度的增加,青菜地上部分和根系中铜的累积量相应增长,但青菜地上部分铜的相对累积量随铜浓度的增加而下降,从而大大减少高铜污染下铜在青菜可食部位的积累。3.三种土壤中的铜均是以Fe-Mn氧化物结合态为主。四种提取剂提取的有效铜含量和外源铜总量均呈极显著的正相关。各种提取态铜之间以及各种形态铜与水稻产量、青菜生物量之间呈显著或极显著负相关,与水稻及青菜组织体内累积的铜呈极显著正相关。其中,以0.5 mol L-1DTPA提取铜与外源铜的相关性最好,可以作为土壤有效性铜的最佳化学提取剂。4.因溶解性能源物质数量的消耗,三种水稻土的微生物生物量碳、基础呼吸速率及微生物商随培养时间的延长而显著下降;而在轮作中因根系不断分泌有机物及残根分解的刺激作用而显著增加。三种土壤微生物生物量碳及基础呼吸速率对铜胁迫的剂量效应表现为在低铜浓度下(＜400 mg kg-1)增加或显著增加,更高铜浓度因毒害作用而显著下降。土壤微生物代谢商随铜污染浓度的提高及培养时间的延长而升高。但在粮.菜轮作系统中稻作淹水下,随铜污染浓度的提高,黄红壤的微生物代谢商和呼吸速率增加,青紫泥和小粉土的微生物代谢商降低。改青菜旱作后,土壤的微生物代谢商和呼吸速率都随铜污染浓度的提高而降低。5.低铜浓度(50-100 mg kg-1)显著促进了过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性,高铜污染浓度则抑制了酶活性。四种酶对铜污染敏感的顺序为:脲酶＞蔗糖酶＞磷酸酶＞过氧化氢酶;粮-菜轮作体系中,根系及其分泌物的共同作用促进土壤酶活性,尤其是水作改旱作后,酶活性进一步极显著提高。6.铜污染胁迫下,三种土壤可培养微生物总量在低铜浓度下随铜污染浓度的逐步提高而显著提高;但当铜浓度超过400 mg kg-1及随培养时间的延长,铜污染的抑制作用增强。肥沃土壤青紫泥和黄红壤可培养微生物总量随培养时间的延长而显著下降,而贫瘠土壤小粉土可培养微生物总量则因环境条件的改善而随培养时间的延长而提高。铜胁迫使土壤微生物区系组成结构也发生显著变化。三种土壤培养过程中因耐性细菌出现而维持细菌的相对比例不降反升;真菌比例随铜污染浓度的提高而先升后降;而放线菌的比例随铜污染浓度的提高而显著降低。7.铜胁迫导致土壤微生物群落结构或功能多样性发生改变。三种土壤之间的C12-C20磷脂脂肪酸（PLFA）的含量达到显著差异;每种土壤内所含有的C12-C20不同碳结构PLFA则达极显著差异。这种差异首先表现在可检测PLFA的类型变化。培养8周时,100-400 mg kg-1铜显著促进了可以命名的微生物类型,800 mg kg-1铜则显著抑制,以贫瘠的小粉土表现最典型。随培养时间延长至52周,各土壤可命名磷脂脂肪酸类型增加,且低铜浓度促进磷脂脂肪酸类型增加,高铜浓度则显著抑制。可见,铜胁迫并非改变被测土壤LFA结构的唯一影响因素。其次,铜污染显著改变了微生物群落主要构成成分的结构比例。三种土壤PLFA随培养时间而变化。黄红壤和青紫泥微生物群落都以细菌占绝大多数,真菌和放线菌类型与数量比例都很低,与培养计数法获得的结果非常一致。小粉土对照土壤培养8周时真菌占比例高达58.58%,细菌只占27.51%,放线菌未能测出;而培养52周时,细菌比例高达69.5%,真菌比例下降到6.85%,放线菌仅占0.69%。即,小粉土即使在无铜污染的情况下,微生物群落结构也发生了剧烈改变。当然,铜胁迫进一步促进了土壤微生物群落结构的改变。细菌和放线菌的比例随铜污染浓度的提高而显著提高,真菌的比例和真菌/细菌的比例都随铜污染浓度的提高而显著下降。此外,铜污染导致土壤微生物产生适应性或耐性反应,一些特征磷脂脂肪酸消失或涌现。铜胁迫使甲烷营养菌Ⅰ型16∶1w5c和好氧细菌15∶0 3OH、16∶0 2OH及硫酸盐还原细菌17∶1 w8c消失,厌氧细菌17∶0 ISO 30H和真菌20∶2W6,9C受激发作为新种出现,革兰氏阴性细菌（17∶0 CYCLO和19∶0CYCLO w8c）和革兰氏阳性细菌（4∶0 iso,15∶0 anteiso,15∶0 iso,15∶0 iso 3OH,16∶0 iso,17∶0 anteiso,17∶0iso）大量涌现。8.铜胁迫降低了土壤的微生物群落代谢剖面（AWCD）,且AWCD值与测试时间之间呈非线性关系。三种土壤Biolog生态盘碳源利用的铜浓度效应受培养时间的影响而存在一定差异。随着铜污染浓度增加到800 mg kg-1时,土壤的AWCD值下降,微生物群落生理代谢功能下降。三种土壤在31种碳源构建的主成分分析坐标体系中存在明显的空间分异,表明微生物群落结构对铜污染非常敏感。三种土壤铜污染微生物群落的功能多样性指数在同一时间的不同浓度和同一浓度的不同污染时间下存在差异。高铜浓度(＞800 mg kg-1)导致丰富度显著下降,均匀度和Shannon指数也下降,微生物种群变得单一。9.根据铜污染对水稻、青菜生长的抑制效应,以及粮.菜轮作系统中土壤微生物生物量、微生物商、酶活性等生态指标的铜胁迫剂量效应,以水稻、青菜减产10%,水稻籽粒或青菜可食部位铜含量不超过10 mg kg-1,特别是运用生态剂量(ED10)的概念,根据上述各项指标与铜浓度对数值的模拟模型,计算了黄红壤、青紫泥和小粉土的铜临界指标分别为198、185和71 mg kg-1。