重金属对硝化抑制剂DMPP土壤行为和微生物效应的影响

The heavy metal pollution in farmland become serious in China, one of the main reasons about heavy metal pollution in large area is applied fertilizer and pesticide containing heavy metal; and for solution the problem of low utilization rate of nitrogen fertilizer, DMPP is applied increasing in farmland, which belongs to nitrification inhibitor through inhibiting the activity of ammonia oxidizing microorganisms. But the research about effect of heavy metals on nitrification inhibitor has hardly been reported in domestic and abroad. In view of this, our research attempts to apply 13C-stable isotope labeling technique,PCR-DGGE and Real-time PCR. We plan to study the effect of heavy metals on nitrification inhibitor behaviors about formation, adsorption-desorption and degradation processes in soil; the effect of combination of nitrification inhibitor and heavy metal on ammonia oxidizing microorganism's activity, ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea biological diversity, ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea quantity on different stages in soils; the effect of combination of nitrification inhibitor and heavy metal on improving nitrogen fertilizer efficiency. We hope to provide the theory basis for using biochemical inhibitors in heavy metal contaminated soil for regulating the utilization and transformation of nitrogen.

我国农田土壤重金属污染比较严重，含重金属的化肥和农药的施用是造成土壤重金属污染的主要原因之一；同时为解决氮肥利用率低的现状，能专性抑制土壤氨氧化微生物活性的硝化抑制剂DMPP在我国农田土壤应用不断增加。但国内外关于重金属对硝化抑制剂影响的研究鲜有报道。鉴于此，本研究拟利用13C稳定同位素标记、PCR-DGGE、Real-time PCR等技术，以不同类型农田土壤为研究对象，系统研究重金属对硝化抑制剂DMPP在土壤中形态、吸附-解吸及降解等行为的影响；阐明重金属-硝化抑制剂对土壤中氨氧化微生物活性、氨氧化细菌和氨氧化古菌多样性、氨氧化细菌和氨氧化古菌数量的交互作用及其类型，明确重金属和硝化抑制剂交互作用对氮肥在土壤中的存在形态的影响。为受重金属污染农田土壤合理应用生化抑制剂调控氮素转化提供理论依据。

本研究阐明了重金属Cu/Cd对硝化抑制剂DMPP在土壤中形态分布、吸附-解吸、降解等行为的影响，明确了Cu/Cd和DMPP对土壤无机氮转化、氨氧化微生物活性（硝化势）、氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）数量及多样性的交互作用及其机制。研究结果表明，随着重金属Cu/Cd添加量的增加，土壤中可溶态DMPP的比例逐渐升高，可脱附态和有机溶剂提取态DMPP的比例有所降低，结合态DMPP的含量基本不受外源Cu/Cd添加的影响。DMPP在土壤中的吸附量主要受土壤有机质和粘粒含量影响。由于重金属能够与DMPP竞争有机质或黏土矿物中的吸附位点，因此Cu2+/Cd2+的加入能够使DMPP在土壤上的吸附量有所降低；随重金属加入量的提高，Freundlich等温吸附方程参数Kf和Kfd降低的幅度也逐渐增大。由于土壤中DMPP的降解主要源于土壤微生物作用，因此添加重金属Cu/Cd并不影响灭菌土壤中DMPP的降解。在未灭菌土壤中加入低含量的Cu，可使DMPP的降解速率略有加快；加入中等含量的Cu，基本不影响DMPP的降解速率；而添加高含量的Cu则会抑制DMPP的降解；土壤中加入Cd会抑制DMPP的降解，且随Cd加入量的升高，抑制作用也会增强。当Cu/Cd、DMPP与NH4+-N同时添加到土壤中时，重金属与DMPP对硝化作用的抑制效果表现出协同作用。Cu与DMPP对土壤中AOB数量的交互作用类型因添加量不同而异；Cd与DMPP对土壤AOB数量的交互作用主要表现为颉颃作用；Cu/Cd与DMPP对土壤AOA数量的交互作用则均表现出协同作用。重金属Cu/Cd与DMPP对土壤氨氧化微生物多样性均表现出颉颃作用。较低用量的重金属Cu/Cd与DMPP对土壤硝化势的交互作用类型主要为颉颃作用，而较高用量时则表现为协同作用。进一步的研究还发现，Cu(Ⅱ)或Cu(Ⅰ)配体对硝化作用的抑制强度均与其对应配合物的一级稳定常数对数(lgK1)或总稳定常数对数(lgKf)呈显著(P<0.01)线性相关关系，这可以解释1）Cu(Ⅱ)或Cu(Ⅰ)配体具有硝化抑制作用；2）外源添加少量Cu2+能够缓解Cu配合（螯合）型硝化抑制剂（如DMPP）的硝化抑制效果。