论文部分内容阅读
摘 要 通过室内模拟土壤盆栽试验，研究铝、镉对砖红壤土壤微生物及土壤呼吸的影响。结果表明：铝和镉对土壤生化过程有不同的效应。铝浓度≤100 mg/kg和≤50 mg/kg分别对细菌和放线菌有一定促进作用，高浓度则产生抑制作用，土壤真菌数量随土壤铝浓度的增加而逐渐减少。而镉对土壤微生物及土壤呼吸作用的影响比铝小。镉对细菌生长影响波动幅度大，镉浓度在5～100 mg/kg时，对真菌生长有促进作用，而抑制放线菌的生长。铝对土壤呼吸作用抑制效果随铝处理浓度增加而增加，而不同镉处理浓度对土壤呼吸作用影响较铝的作用小。铝镉复合污染对土壤细菌和真菌的影响表现出协同效应，对土壤放线菌的影响表现出拮抗效应。
关键词 铝；镉；土壤呼吸；土壤微生物
中图分类号 S154.3 文献标识码 A
Abstract A pot experiment was conducted to study the impacts of aluminum（Al）and cadmium（Cd）pollution on the soil microbes and soil respiration. The results indicated that the pollution effects of Al and Cd on the biochemistry processes were different， The lower concentration of Al， ≤100 mg/kg and ≤50 mg/kg could promote the growth of bacteria and actinomycete， but the higher concentrations of Al could reducd bacteria and actinomycetes number. The number of fungi was gradually reducing with the increasing of the concentration of Al. While， the influence degree of Cd on the soil microbe and soil respiration was weaker than that of Al. The influence of Cd on bacteria fluctuated very much， and the Cd under the concentration of 5-100 mg/kg promoted the fungi growth， and inhibited the growth of the actinomycetes. The Al inhibition on the soil respiration was according to the concentration of Al. However， the influence of Cd on soil respiration was less than that of Al. Synergistic effect on the population of bacteria and fungi under the compound pollution of Al and Cd， and antagonistic effect on the population of actinomycete.
Key words Aluminum； Cadmium； Soil respiration； Soil microbe
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.026
铝（Al）是地壳中最丰富的元素之一，土壤铝主要以铝硅酸盐矿物和氧化物等形态存在，对植物和环境影响很小。当土壤发生酸化时，土壤中的活性铝增加，导致铝毒的产生。铝毒不仅限制作物生长[1-2]，而且对微生物和动物产生毒害作用[3-4]。酸雨加速土壤固相铝溶解，在酸雨频发的地区、北欧和北美灰化地区，湖泊和河流发生严重酸化，对生态环境造成严重的危害[5-7]。从20世纪80年代到现在，我国土壤酸化越来越严重，尤其发生在南方酸性土壤，土壤酸化面积占我国耕地面积的40%以上[8]。
土壤微生物较植物对环境胁迫更敏感。有研究报道土壤酸化与土壤微生物参数的关系[9]；重金属污染对土壤微生物结构有一定影响[10-11]。土壤呼吸作用是全球碳循环中重要的流通途径，土壤碳以CO2流向大气圈，对温室气体排放产生重要影响。有研究结果表明，酸雨降低阔叶林土壤呼吸强度[12]。重金属对土壤呼吸也有一定影响[13]。
铝与镉是危害性较强的污染物，尤其发生在南方酸性土壤环境中，以往常常将两者分开研究[3-4，14-15]，铝与重金属（Zn、Cu、Pb）复合污染及镉与其它污染物（Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、芘）复合污染对土壤微生物的影响已有报道[16-17]，铝镉复合污染对大麦、大豆生理的影响也有报道[18-20]，而对土壤微生物的影响还未见报道。笔者就铝镉复合处理对土壤微生物及土壤呼吸的影响随处理浓度的变化动态，旨在探讨铝镉复合污染与单一污染对土壤微生物与土壤呼吸的影响比较，从而为土壤铝镉复合污染对土壤微生物的影响及土壤环境质量评价提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
选取海南典型的砖红壤作为试验土壤，在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草基地晒场阴凉处风干后，过20目的筛孔，称5 kg的土装进塑料盆。供试土壤的理化性质见表1。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 铝镉处理浓度见表2，铝和镉处理均设7个浓度，铝处理浓度分别为50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 mg/kg；镉处理浓度分别为2、5、10、15、20、50、100 mg/kg，镉浓度范围包含轻度污染，中度污染及重度污染，铝镉复合处理浓度为Cd2+Al50、Cd5+Al100、Cd10+Al200、Cd15+Al500、Cd20+Al1000、Cd50+Al1500、Cd100+Al2000 mg/kg，以不加铝和镉为对照，每个处理均设3次重复，按表1处理浓度向盆钵土中加入CdCl2·2.5H2O和AlCl3·6H2O，加入自来水，使土壤保持最大含水量，培养2个月后，取新鲜土，过1 mm筛，用于测定土壤微生物数量。 1.2.2 测定方法 土壤微生物数量分析：参照土壤微生物研究方法[21]，将被检样品制成几个不同的10倍递增稀释液，然后从每个稀释液中分别取出1 mL置于灭菌平皿中与不同培养基混合，在一定温度下，培养特定时间后，记录每个平皿中形成的生物群落数量，依据稀释倍数，计算出每克原始样品中所含生物群落总数。计算公式：
每克干土中菌数=（菌落平均数×稀释倍数）/干土。土壤含水量测定参照土壤农业化学分析方法[22]；
细菌培养选用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，37 ℃培养2～3 d；真菌培养选用马丁氏（Martin）培养基，35 ℃培养3～5 d；放线菌培养选用改良高氏1号培养基，30 ℃培养5～7 d。
土壤CO2呼吸测定：测定方法参照鲁如坤主编的土壤农业化学分析方法[15]。采用田间原位测定法，本试验采用1 mol/L NaOH标准溶液，直接吸收土壤产生的CO2，然后测定剩余的吸收剂，以确定CO2释放量。每个处理重复3次。
1.3 试验数据统计分析
试验数据用Microsoft Excell进行整理，用SPSS 13.0 软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 铝镉对土壤微生物数量的影响
由表3可以看出，铝对土壤细菌数量的影响为：铝浓度在50～100 mg/kg时，促进细菌数量的增加，铝浓度在200～1 000 mg/kg和2 000 mg/kg时候，抑制细菌生长，抑菌率分别为38.2、3.1、78.0、83.6。镉处理对土壤细菌数量的影响表现为：镉浓度低于5 mg/kg时，促进细菌数量的增加，抑菌率分别为-119.5和-170.7，继续提高镉的处理浓度则抑制细菌的生长，但高浓度镉（20 mg/kg和100 mg/kg）处理后，细菌数量增加，这可能由于某些细菌出现耐镉现象，这部分细菌数量在培养过程不断增加。除了Cd15Al500处理，铝镉复合处理对土壤细菌的生长有不同程度抑制，抑制率平均达88%。
铝对土壤真菌数量的影响为：铝浓度在50～2 000 mg/kg时显著抑制真菌的生长，其中在50～500 mg/kg时，每克干土的真菌数目平均仅为100个，而在1 000～2 000 mg/kg时，真菌完全不能生长。而铝镉复合处理对真菌生长的影响为：只有铝浓度为50 mg/kg和镉浓度为2 mg/kg时，对土壤真菌的生长有明显促进作用，当铝浓度增加到100 mg/kg及更高浓度时，强烈抑制真菌的生长，抑制率达到99%。镉对土壤真菌的生长有显著促进作用，尤其是在2～20 mg/kg时，土壤真菌数量平均为对照的200倍。
从铝对放线菌生长的影响来看，50 mg/kg的铝促进放线菌的生长，铝浓度在100～1 000 mg/kg时，放线菌几乎不能生长，但铝浓度提高到2 000 mg/kg时，部分细菌能够生长。镉处理抑制放线菌的生长。低浓度铝镉复合处理促进放线菌的生长，但随着铝镉处理浓度的增加，放线菌几乎不能生长。试验研究结果表明，铝对土壤细菌、放线菌和真菌的影响均大于镉。细菌对铝和镉的耐受能力大于真菌和放线菌；根据复合污染抑制率的实测值与理论值（单一污染抑制率的总和）比较可以看出，铝镉复合处理对细菌数量的影响除了Al200Cd10和Al500Cd15出现拮抗作用外，其余均出现协同抑制作用。铝镉复合处理对真菌数量的影响表出协同抑制作用，而铝镉复合处理对放线菌生长的影响表现出拮抗效应。
2.2 铝镉对土壤呼吸的影响
土壤呼吸来源于生物学与非生物学过程，生物学过程包括土壤微生物的呼吸、植物根系的呼吸和原生动物的呼吸，非生物学过程指碳矿物质的化学氧化作用。土壤微生物的呼吸占主要部分。土壤呼吸被利用作为土壤微生物总的活性指标或作为评价土壤肥力的指标。由图1可以看出，铝处理对土壤CO2释放量的影响表现为随铝处理浓度增加逐渐下降，铝处理浓度为50 mg/kg和100 mg/kg时，土壤CO2呼吸速率下降，但在浓度为200 mg/kg和1 500 mg/kg处理条件下，CO2释放量发生波动，随着处理浓度持续增加，CO2释放量迅速下降。镉对土壤CO2释放量并没有受镉浓度增加的影响，呈水平线。
铝镉复合处理对土壤CO2释放量的影响与铝处理相似，但铝镉复合处理对土壤CO2释放量抑制作用均大于单一铝或镉处理，除了低浓度镉（2.0 mg/kg）或低浓度铝（100 mg/kg）。试验研究结果表明，铝抑制土壤呼吸，而镉对土壤呼吸影响很小。
2.3 铝镉对土壤pH的影响
土壤酸碱度对土壤养分形态和有效性，对土壤的理化性质、微生物活动以及植物生长发育有很大影响。土壤酸碱度对土壤微生物活动有很大的影响。从图2可以看出，往土壤中添加氯化镉后，土壤pH的变化非常小，平均变化3.8%。而添加氯化铝后，土壤pH的变化非常明显，且随铝添加量的增加，土壤pH呈逐渐下降趋势，pH从5.37降到3.21。铝和镉同时添加时，土壤pH变化趋势与单一铝趋势一致。
2.4 相关分析
通过相关分析（表4），土壤pH与土壤微生物数量相关性均达到显著水平，而且均呈正相关，其中，与细菌和真菌的相关性达显著水平，与放线菌的相关性达极显著水平；土壤pH与土壤CO2释放量的相关性达极显著负相关（-0.914**）。铝与土壤微生物数量相关性分析，铝与细菌、真菌、放线菌呈负相关，与土壤CO2释放量呈极显著负相关（-0.857**）。镉与细菌呈正相关，与真菌的相关性很小，与放线菌和土壤CO2释放量呈负相关。
3 讨论与结论
土壤pH对土壤微生物数量影响比较大。大多数细菌的最适的pH为6.5～7.5，放线菌一般在微碱性即pH为7.5～8.0最适合，而真菌生长的最适pH为中性或略酸性。本研究结果通过相关分析，土壤pH与土壤细菌、真菌呈显著正相关，与放线菌呈极显著正相关，但与土壤CO2呼吸释放量呈极显著负相关。据Rousk等[23]研究结果，pH从8.3降到4.5时，细菌生长量降低4/5，而真菌生长量增加5倍，pH低于4.5时，基础呼吸下降。铝降低土壤pH的原理为：在强酸性矿质土壤中，交换性铝主要以Al3+的形式存在，铝离子发生水解反应，一个铝离子水解后产生3个H+而显酸性。单一铝处理浓度在50 mg/kg 时，促进放线菌的生长，铝浓度在100～1 000 mg/kg范围时，放线菌抑制率约为100%，而继续增加铝处理浓度，少量放线菌能够生长。说明大部分放线菌对铝比较敏感，只有少部分噬酸噬铝放线菌能够在极端环境下富集生长。真菌对铝毒的响应比较敏感，50 mg/kg的铝处理几乎能抑制可培养真菌90%以上生长。而细菌较真菌及放线菌耐铝毒，铝浓度提高到1 000 mg/kg以上时，细菌抑制率达到78%以上。罗虹等[24]研究结果表明铝对土壤微生物区系有抑制作用的临界质量分数为1 300 mg/kg以上。 铝镉复合污染对微生物的影响与单一铝处理较为相似。铝镉复合污染对土壤细菌和真菌的影响表现出协同效应，对放线菌的影响表现为拮抗效应。这可能跟不同微生物对土壤pH敏感程度不同有关，细菌和真菌较放线菌更适于酸性环境生长。铝镉复合处理对土壤pH和土壤CO2呼吸量的影响也与单一铝的影响相似，因此，铝镉复合处理中对土壤微生物的影响由铝起主要作用。
镉处理浓度在5 mg/kg时，细菌和真菌的数量增加，而放线数量明显降低。其研究结果与陆文龙等[25]的研究结果存在差异，而后者镉浓度≥0.5 mg/kg，均能抑制土壤微生物的生长。据最新研究报道，土壤粘度对土壤微生物耐镉能力影响较大[15]，二者出现差异的原因可能是黑钙土与砖红壤的土壤粘度不同。由于镉促进真菌数量的增长，抑制放线菌的生长，因此，镉对微生物的影响顺序为：放线菌>细菌>真菌。Liu等[26]研究河北中壤草甸褐土微生物对镉响应顺序为：细菌>放线菌>真菌。本研究结果与Liu等[26]的研究结果存在差异，可能与土壤pH不同有关，草甸褐土的pH为7.91～8.03，而砖红壤土壤pH为5.37。据报道，pH影响土壤重金属有效性，土壤pH小于5.5时，交换态镉含量增加，而随pH升高，难溶性碳酸镉的比例增加[27]。镉对土壤CO2释放量的影响较铝小，而陆文龙等[25]的研究结果反映出镉处理浓度与土壤呼吸作用有很好线性关系。存在差异的原因可能在于本研究是原位测定法，很难控制土壤含水量，而后者采用室内培养法，较好控制土壤含水量。土壤水分、温度等因素均对土壤呼吸作用有重要的影响。
综上所述，低浓度铝（50 mg/kg）促进细菌和放线菌数量的增加，单一铝对土壤微生物数量的抑制大小顺序为：真菌>放线菌>细菌。土壤施加镉均抑制放线菌生长，单一镉对土壤微生物数量的抑制大小顺序为：放线菌>细菌>真菌；铝镉复合污染对土壤细菌和真菌的影响均表现出协同效应，对土壤放线菌的影响表现为拮抗效应。土壤pH随外源铝浓度增加而降低，铝对土壤CO2呼吸抑制作用较镉的作用强。
参考文献
[1] Poschenrieder C， Gunse B， Corrales I， et al. A glance into aluminum toxicity and resistance in plants[J]. Science of the Total Environment， 2008， 400（1-3）： 356-368.
[2] Ma J F. Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants[J]. International Review of Cytology， 2007， 264： 225-252.
[3] Shao Y， Zhang W， Liu Z， et al. Responses of soil microbial and nematode communities to aluminum toxicity in vegetated oil-shale-waste lands[J]. Ecotoxicology， 2012， 21（8）： 2 132-2 142.
[4] Zhang J， Yu J， Ouyang Y， et al. Responses of earthworm to aluminum toxicity in latosol. Environ Sci Pollut Res Int，2012， 20（2）： 1 135-1 141.
[5] Adersson F. Acidic deposition and its effects on the forest of Nordic Europe[J]. Water， Air and Soil Pollution， 1986， 30： 17-29.
[6] Pabian S E， Ermer N M， Tzilkowski W M， et al. Effects of liming on forage availability and nutritent content in a forest impacted by acid rain[J]. PLOS ONE， 2012， 7（6）： e39755.
[7] Bergman I， Bishop K， Tu Q， et al. The influence of sulphate deposition on the seasonal variation of peat pore water methyl Hg in a boreal mire[J]. PLOS ONE， 2012， 7（9）： e45547.
[8] 李继红. 我国土壤酸化的成因与防控研究[J]. 农业灾害研究， 2012， 2（6）： 42-45.
[9] Sahoo P K， Bhattacharyya P， Tripathy S， et al. Influence of different forms of acidities on soil microbiological properties and enzyme activities at an acid mine drainage contaminated site[J]. Journal of Hazardous Materials. 2010， 179（1-3）： 966-975.
[10] Shentu J L， He Z L， Yang X E， et al. Microbial activity and community diversity in a variable charge soil as affected by cadmium exposure levels and time[J]. Journal of Zhejiang University Science B， 2008， 9（3）： 250-260. [11] 许炼峰. 镉对砖红壤微生物的影响[J]. 农业环境保护， 1993， 12（4）： 145-149.
[12] Liang G H， Liu X Z， Chen X M， et al. Response of soil respiration to acid rain in forests of different maturity in southern china[J]. 2013， PLOS ONE， 8（4）： e62207.
[13] Lazzaro A， Hartmann M， Blaser P， et al. Bacterial community structure and activity in different Cd-treated forest soils[J]. FEMS Microbiology Ecology. 2006， 58（2）： 278-292.
[14] Wang A， Wu F. Z， Yan g W. Q ， et al. Effects of cadmium stress on the microbial biodiversity in purple soil and alluvial soil potted with a poplar（Populus deltoides×Populus nigra）[J].Huan Jing Ke Xue， 2011， 32（7）： 2 438-2 443.
[15] Waseem H， Muhammad A， Ibrahim M， et al. Response of soil microbial biomass and enzymes activity to cadmium（Cd）toxicity under different soil texture and incubation[J]. Australian Journal of Crop Science， 2013， 7（5）： 674-680.
[16] García-GIL J C， Kobza J， Soler-Rovira P， et al. Soil microbial and enzyme activities response to pollution near an aluminum smelter[J]. Soil， Air， Water， 2013， 41（5）： 485-492.
[17] Saha J K， Panwar N， Singh M V. Risk assessment of heavy metals in soil of a susceptible agro-ecological system amended with municipal solid waste compost[J]. Journal of the Indian Society of Soil Science， 2013， 61（1）： 15-22.
[18] Guo T R， Zhang G P， Zhou M X， et al. Effects of aluminum and cadmium toxicity on growth and antioxidant enzyme activities of two barley genotypes with different Al resistance[J]. Plant and Soil， 2004， 258（1）： 241-248.
[19] Guo T R， Zhang G P， Zhou M X， et al. Influence of aluminum and cadmium stresses on mineral nutrition and root exudates in two barley cultivars[J]. Pedosphere， 2007， 17（4）： 505-512.
[20] Shamsi I H， Wei K， Zhang G P， et al. Interactive effects of cadmium and aluminum on growth and antioxidative enzymes in soybean[J]. Biologica Plantarum， 2008， 52（1）： 165-169.
[21] 中国科学院南京土壤研究所微生物室 编著. 土壤微生物研究方法[M]. 北京： 科学出版社， 1985.
[22] 鲁如坤主编. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京： 中国农业科技出版社， 1998.
[23] Rousk J， Brookes P C， Baath E. Contrasting soil pH effects on fungal and bacterial growth suggests functional redundancy in carbon mineralization[J]. Applied and Environmental Microbiology， 2009， 75（6）： 1 589-1 596.
[24] 罗 虹， 刘 鹏， 徐根娣. 铝对土壤微生物区系组成的影响[J]. 生态环境， 2004， 13（1）： 11-13.
[25] 陆文龙， 徐松巍， 李英华. 重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响研究[J]. 吉林化工学院学报， 2013， 30（7）： 65-67.
[26] Liu S Q， Yang Z X， Wang X M， et al. Effects of Cd and Pb pollution on soil enzymatic activities and soil microbiota[J]. Frontier of Agriculturre in China， 2007， 1（1）： 85-89.
[27] 杜彩艳， 祖艳群， 李 元. pH和有机质对土壤中镉和锌生物有效性影响研究[J]. 云南农业大学学报， 2005， 20（4）： 539-543.
关键词 铝；镉；土壤呼吸；土壤微生物
中图分类号 S154.3 文献标识码 A
Abstract A pot experiment was conducted to study the impacts of aluminum（Al）and cadmium（Cd）pollution on the soil microbes and soil respiration. The results indicated that the pollution effects of Al and Cd on the biochemistry processes were different， The lower concentration of Al， ≤100 mg/kg and ≤50 mg/kg could promote the growth of bacteria and actinomycete， but the higher concentrations of Al could reducd bacteria and actinomycetes number. The number of fungi was gradually reducing with the increasing of the concentration of Al. While， the influence degree of Cd on the soil microbe and soil respiration was weaker than that of Al. The influence of Cd on bacteria fluctuated very much， and the Cd under the concentration of 5-100 mg/kg promoted the fungi growth， and inhibited the growth of the actinomycetes. The Al inhibition on the soil respiration was according to the concentration of Al. However， the influence of Cd on soil respiration was less than that of Al. Synergistic effect on the population of bacteria and fungi under the compound pollution of Al and Cd， and antagonistic effect on the population of actinomycete.
Key words Aluminum； Cadmium； Soil respiration； Soil microbe
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.026
铝（Al）是地壳中最丰富的元素之一，土壤铝主要以铝硅酸盐矿物和氧化物等形态存在，对植物和环境影响很小。当土壤发生酸化时，土壤中的活性铝增加，导致铝毒的产生。铝毒不仅限制作物生长[1-2]，而且对微生物和动物产生毒害作用[3-4]。酸雨加速土壤固相铝溶解，在酸雨频发的地区、北欧和北美灰化地区，湖泊和河流发生严重酸化，对生态环境造成严重的危害[5-7]。从20世纪80年代到现在，我国土壤酸化越来越严重，尤其发生在南方酸性土壤，土壤酸化面积占我国耕地面积的40%以上[8]。
土壤微生物较植物对环境胁迫更敏感。有研究报道土壤酸化与土壤微生物参数的关系[9]；重金属污染对土壤微生物结构有一定影响[10-11]。土壤呼吸作用是全球碳循环中重要的流通途径，土壤碳以CO2流向大气圈，对温室气体排放产生重要影响。有研究结果表明，酸雨降低阔叶林土壤呼吸强度[12]。重金属对土壤呼吸也有一定影响[13]。
铝与镉是危害性较强的污染物，尤其发生在南方酸性土壤环境中，以往常常将两者分开研究[3-4，14-15]，铝与重金属（Zn、Cu、Pb）复合污染及镉与其它污染物（Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、芘）复合污染对土壤微生物的影响已有报道[16-17]，铝镉复合污染对大麦、大豆生理的影响也有报道[18-20]，而对土壤微生物的影响还未见报道。笔者就铝镉复合处理对土壤微生物及土壤呼吸的影响随处理浓度的变化动态，旨在探讨铝镉复合污染与单一污染对土壤微生物与土壤呼吸的影响比较，从而为土壤铝镉复合污染对土壤微生物的影响及土壤环境质量评价提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
选取海南典型的砖红壤作为试验土壤，在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草基地晒场阴凉处风干后，过20目的筛孔，称5 kg的土装进塑料盆。供试土壤的理化性质见表1。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 铝镉处理浓度见表2，铝和镉处理均设7个浓度，铝处理浓度分别为50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 mg/kg；镉处理浓度分别为2、5、10、15、20、50、100 mg/kg，镉浓度范围包含轻度污染，中度污染及重度污染，铝镉复合处理浓度为Cd2+Al50、Cd5+Al100、Cd10+Al200、Cd15+Al500、Cd20+Al1000、Cd50+Al1500、Cd100+Al2000 mg/kg，以不加铝和镉为对照，每个处理均设3次重复，按表1处理浓度向盆钵土中加入CdCl2·2.5H2O和AlCl3·6H2O，加入自来水，使土壤保持最大含水量，培养2个月后，取新鲜土，过1 mm筛，用于测定土壤微生物数量。 1.2.2 测定方法 土壤微生物数量分析：参照土壤微生物研究方法[21]，将被检样品制成几个不同的10倍递增稀释液，然后从每个稀释液中分别取出1 mL置于灭菌平皿中与不同培养基混合，在一定温度下，培养特定时间后，记录每个平皿中形成的生物群落数量，依据稀释倍数，计算出每克原始样品中所含生物群落总数。计算公式：
每克干土中菌数=（菌落平均数×稀释倍数）/干土。土壤含水量测定参照土壤农业化学分析方法[22]；
细菌培养选用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，37 ℃培养2～3 d；真菌培养选用马丁氏（Martin）培养基，35 ℃培养3～5 d；放线菌培养选用改良高氏1号培养基，30 ℃培养5～7 d。
土壤CO2呼吸测定：测定方法参照鲁如坤主编的土壤农业化学分析方法[15]。采用田间原位测定法，本试验采用1 mol/L NaOH标准溶液，直接吸收土壤产生的CO2，然后测定剩余的吸收剂，以确定CO2释放量。每个处理重复3次。
1.3 试验数据统计分析
试验数据用Microsoft Excell进行整理，用SPSS 13.0 软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 铝镉对土壤微生物数量的影响
由表3可以看出，铝对土壤细菌数量的影响为：铝浓度在50～100 mg/kg时，促进细菌数量的增加，铝浓度在200～1 000 mg/kg和2 000 mg/kg时候，抑制细菌生长，抑菌率分别为38.2、3.1、78.0、83.6。镉处理对土壤细菌数量的影响表现为：镉浓度低于5 mg/kg时，促进细菌数量的增加，抑菌率分别为-119.5和-170.7，继续提高镉的处理浓度则抑制细菌的生长，但高浓度镉（20 mg/kg和100 mg/kg）处理后，细菌数量增加，这可能由于某些细菌出现耐镉现象，这部分细菌数量在培养过程不断增加。除了Cd15Al500处理，铝镉复合处理对土壤细菌的生长有不同程度抑制，抑制率平均达88%。
铝对土壤真菌数量的影响为：铝浓度在50～2 000 mg/kg时显著抑制真菌的生长，其中在50～500 mg/kg时，每克干土的真菌数目平均仅为100个，而在1 000～2 000 mg/kg时，真菌完全不能生长。而铝镉复合处理对真菌生长的影响为：只有铝浓度为50 mg/kg和镉浓度为2 mg/kg时，对土壤真菌的生长有明显促进作用，当铝浓度增加到100 mg/kg及更高浓度时，强烈抑制真菌的生长，抑制率达到99%。镉对土壤真菌的生长有显著促进作用，尤其是在2～20 mg/kg时，土壤真菌数量平均为对照的200倍。
从铝对放线菌生长的影响来看，50 mg/kg的铝促进放线菌的生长，铝浓度在100～1 000 mg/kg时，放线菌几乎不能生长，但铝浓度提高到2 000 mg/kg时，部分细菌能够生长。镉处理抑制放线菌的生长。低浓度铝镉复合处理促进放线菌的生长，但随着铝镉处理浓度的增加，放线菌几乎不能生长。试验研究结果表明，铝对土壤细菌、放线菌和真菌的影响均大于镉。细菌对铝和镉的耐受能力大于真菌和放线菌；根据复合污染抑制率的实测值与理论值（单一污染抑制率的总和）比较可以看出，铝镉复合处理对细菌数量的影响除了Al200Cd10和Al500Cd15出现拮抗作用外，其余均出现协同抑制作用。铝镉复合处理对真菌数量的影响表出协同抑制作用，而铝镉复合处理对放线菌生长的影响表现出拮抗效应。
2.2 铝镉对土壤呼吸的影响
土壤呼吸来源于生物学与非生物学过程，生物学过程包括土壤微生物的呼吸、植物根系的呼吸和原生动物的呼吸，非生物学过程指碳矿物质的化学氧化作用。土壤微生物的呼吸占主要部分。土壤呼吸被利用作为土壤微生物总的活性指标或作为评价土壤肥力的指标。由图1可以看出，铝处理对土壤CO2释放量的影响表现为随铝处理浓度增加逐渐下降，铝处理浓度为50 mg/kg和100 mg/kg时，土壤CO2呼吸速率下降，但在浓度为200 mg/kg和1 500 mg/kg处理条件下，CO2释放量发生波动，随着处理浓度持续增加，CO2释放量迅速下降。镉对土壤CO2释放量并没有受镉浓度增加的影响，呈水平线。
铝镉复合处理对土壤CO2释放量的影响与铝处理相似，但铝镉复合处理对土壤CO2释放量抑制作用均大于单一铝或镉处理，除了低浓度镉（2.0 mg/kg）或低浓度铝（100 mg/kg）。试验研究结果表明，铝抑制土壤呼吸，而镉对土壤呼吸影响很小。
2.3 铝镉对土壤pH的影响
土壤酸碱度对土壤养分形态和有效性，对土壤的理化性质、微生物活动以及植物生长发育有很大影响。土壤酸碱度对土壤微生物活动有很大的影响。从图2可以看出，往土壤中添加氯化镉后，土壤pH的变化非常小，平均变化3.8%。而添加氯化铝后，土壤pH的变化非常明显，且随铝添加量的增加，土壤pH呈逐渐下降趋势，pH从5.37降到3.21。铝和镉同时添加时，土壤pH变化趋势与单一铝趋势一致。
2.4 相关分析
通过相关分析（表4），土壤pH与土壤微生物数量相关性均达到显著水平，而且均呈正相关，其中，与细菌和真菌的相关性达显著水平，与放线菌的相关性达极显著水平；土壤pH与土壤CO2释放量的相关性达极显著负相关（-0.914**）。铝与土壤微生物数量相关性分析，铝与细菌、真菌、放线菌呈负相关，与土壤CO2释放量呈极显著负相关（-0.857**）。镉与细菌呈正相关，与真菌的相关性很小，与放线菌和土壤CO2释放量呈负相关。
3 讨论与结论
土壤pH对土壤微生物数量影响比较大。大多数细菌的最适的pH为6.5～7.5，放线菌一般在微碱性即pH为7.5～8.0最适合，而真菌生长的最适pH为中性或略酸性。本研究结果通过相关分析，土壤pH与土壤细菌、真菌呈显著正相关，与放线菌呈极显著正相关，但与土壤CO2呼吸释放量呈极显著负相关。据Rousk等[23]研究结果，pH从8.3降到4.5时，细菌生长量降低4/5，而真菌生长量增加5倍，pH低于4.5时，基础呼吸下降。铝降低土壤pH的原理为：在强酸性矿质土壤中，交换性铝主要以Al3+的形式存在，铝离子发生水解反应，一个铝离子水解后产生3个H+而显酸性。单一铝处理浓度在50 mg/kg 时，促进放线菌的生长，铝浓度在100～1 000 mg/kg范围时，放线菌抑制率约为100%，而继续增加铝处理浓度，少量放线菌能够生长。说明大部分放线菌对铝比较敏感，只有少部分噬酸噬铝放线菌能够在极端环境下富集生长。真菌对铝毒的响应比较敏感，50 mg/kg的铝处理几乎能抑制可培养真菌90%以上生长。而细菌较真菌及放线菌耐铝毒，铝浓度提高到1 000 mg/kg以上时，细菌抑制率达到78%以上。罗虹等[24]研究结果表明铝对土壤微生物区系有抑制作用的临界质量分数为1 300 mg/kg以上。 铝镉复合污染对微生物的影响与单一铝处理较为相似。铝镉复合污染对土壤细菌和真菌的影响表现出协同效应，对放线菌的影响表现为拮抗效应。这可能跟不同微生物对土壤pH敏感程度不同有关，细菌和真菌较放线菌更适于酸性环境生长。铝镉复合处理对土壤pH和土壤CO2呼吸量的影响也与单一铝的影响相似，因此，铝镉复合处理中对土壤微生物的影响由铝起主要作用。
镉处理浓度在5 mg/kg时，细菌和真菌的数量增加，而放线数量明显降低。其研究结果与陆文龙等[25]的研究结果存在差异，而后者镉浓度≥0.5 mg/kg，均能抑制土壤微生物的生长。据最新研究报道，土壤粘度对土壤微生物耐镉能力影响较大[15]，二者出现差异的原因可能是黑钙土与砖红壤的土壤粘度不同。由于镉促进真菌数量的增长，抑制放线菌的生长，因此，镉对微生物的影响顺序为：放线菌>细菌>真菌。Liu等[26]研究河北中壤草甸褐土微生物对镉响应顺序为：细菌>放线菌>真菌。本研究结果与Liu等[26]的研究结果存在差异，可能与土壤pH不同有关，草甸褐土的pH为7.91～8.03，而砖红壤土壤pH为5.37。据报道，pH影响土壤重金属有效性，土壤pH小于5.5时，交换态镉含量增加，而随pH升高，难溶性碳酸镉的比例增加[27]。镉对土壤CO2释放量的影响较铝小，而陆文龙等[25]的研究结果反映出镉处理浓度与土壤呼吸作用有很好线性关系。存在差异的原因可能在于本研究是原位测定法，很难控制土壤含水量，而后者采用室内培养法，较好控制土壤含水量。土壤水分、温度等因素均对土壤呼吸作用有重要的影响。
综上所述，低浓度铝（50 mg/kg）促进细菌和放线菌数量的增加，单一铝对土壤微生物数量的抑制大小顺序为：真菌>放线菌>细菌。土壤施加镉均抑制放线菌生长，单一镉对土壤微生物数量的抑制大小顺序为：放线菌>细菌>真菌；铝镉复合污染对土壤细菌和真菌的影响均表现出协同效应，对土壤放线菌的影响表现为拮抗效应。土壤pH随外源铝浓度增加而降低，铝对土壤CO2呼吸抑制作用较镉的作用强。
参考文献
[1] Poschenrieder C， Gunse B， Corrales I， et al. A glance into aluminum toxicity and resistance in plants[J]. Science of the Total Environment， 2008， 400（1-3）： 356-368.
[2] Ma J F. Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants[J]. International Review of Cytology， 2007， 264： 225-252.
[3] Shao Y， Zhang W， Liu Z， et al. Responses of soil microbial and nematode communities to aluminum toxicity in vegetated oil-shale-waste lands[J]. Ecotoxicology， 2012， 21（8）： 2 132-2 142.
[4] Zhang J， Yu J， Ouyang Y， et al. Responses of earthworm to aluminum toxicity in latosol. Environ Sci Pollut Res Int，2012， 20（2）： 1 135-1 141.
[5] Adersson F. Acidic deposition and its effects on the forest of Nordic Europe[J]. Water， Air and Soil Pollution， 1986， 30： 17-29.
[6] Pabian S E， Ermer N M， Tzilkowski W M， et al. Effects of liming on forage availability and nutritent content in a forest impacted by acid rain[J]. PLOS ONE， 2012， 7（6）： e39755.
[7] Bergman I， Bishop K， Tu Q， et al. The influence of sulphate deposition on the seasonal variation of peat pore water methyl Hg in a boreal mire[J]. PLOS ONE， 2012， 7（9）： e45547.
[8] 李继红. 我国土壤酸化的成因与防控研究[J]. 农业灾害研究， 2012， 2（6）： 42-45.
[9] Sahoo P K， Bhattacharyya P， Tripathy S， et al. Influence of different forms of acidities on soil microbiological properties and enzyme activities at an acid mine drainage contaminated site[J]. Journal of Hazardous Materials. 2010， 179（1-3）： 966-975.
[10] Shentu J L， He Z L， Yang X E， et al. Microbial activity and community diversity in a variable charge soil as affected by cadmium exposure levels and time[J]. Journal of Zhejiang University Science B， 2008， 9（3）： 250-260. [11] 许炼峰. 镉对砖红壤微生物的影响[J]. 农业环境保护， 1993， 12（4）： 145-149.
[12] Liang G H， Liu X Z， Chen X M， et al. Response of soil respiration to acid rain in forests of different maturity in southern china[J]. 2013， PLOS ONE， 8（4）： e62207.
[13] Lazzaro A， Hartmann M， Blaser P， et al. Bacterial community structure and activity in different Cd-treated forest soils[J]. FEMS Microbiology Ecology. 2006， 58（2）： 278-292.
[14] Wang A， Wu F. Z， Yan g W. Q ， et al. Effects of cadmium stress on the microbial biodiversity in purple soil and alluvial soil potted with a poplar（Populus deltoides×Populus nigra）[J].Huan Jing Ke Xue， 2011， 32（7）： 2 438-2 443.
[15] Waseem H， Muhammad A， Ibrahim M， et al. Response of soil microbial biomass and enzymes activity to cadmium（Cd）toxicity under different soil texture and incubation[J]. Australian Journal of Crop Science， 2013， 7（5）： 674-680.
[16] García-GIL J C， Kobza J， Soler-Rovira P， et al. Soil microbial and enzyme activities response to pollution near an aluminum smelter[J]. Soil， Air， Water， 2013， 41（5）： 485-492.
[17] Saha J K， Panwar N， Singh M V. Risk assessment of heavy metals in soil of a susceptible agro-ecological system amended with municipal solid waste compost[J]. Journal of the Indian Society of Soil Science， 2013， 61（1）： 15-22.
[18] Guo T R， Zhang G P， Zhou M X， et al. Effects of aluminum and cadmium toxicity on growth and antioxidant enzyme activities of two barley genotypes with different Al resistance[J]. Plant and Soil， 2004， 258（1）： 241-248.
[19] Guo T R， Zhang G P， Zhou M X， et al. Influence of aluminum and cadmium stresses on mineral nutrition and root exudates in two barley cultivars[J]. Pedosphere， 2007， 17（4）： 505-512.
[20] Shamsi I H， Wei K， Zhang G P， et al. Interactive effects of cadmium and aluminum on growth and antioxidative enzymes in soybean[J]. Biologica Plantarum， 2008， 52（1）： 165-169.
[21] 中国科学院南京土壤研究所微生物室 编著. 土壤微生物研究方法[M]. 北京： 科学出版社， 1985.
[22] 鲁如坤主编. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京： 中国农业科技出版社， 1998.
[23] Rousk J， Brookes P C， Baath E. Contrasting soil pH effects on fungal and bacterial growth suggests functional redundancy in carbon mineralization[J]. Applied and Environmental Microbiology， 2009， 75（6）： 1 589-1 596.
[24] 罗 虹， 刘 鹏， 徐根娣. 铝对土壤微生物区系组成的影响[J]. 生态环境， 2004， 13（1）： 11-13.
[25] 陆文龙， 徐松巍， 李英华. 重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响研究[J]. 吉林化工学院学报， 2013， 30（7）： 65-67.
[26] Liu S Q， Yang Z X， Wang X M， et al. Effects of Cd and Pb pollution on soil enzymatic activities and soil microbiota[J]. Frontier of Agriculturre in China， 2007， 1（1）： 85-89.
[27] 杜彩艳， 祖艳群， 李 元. pH和有机质对土壤中镉和锌生物有效性影响研究[J]. 云南农业大学学报， 2005， 20（4）： 539-543.