土壤微生物生態(tài)研究初探

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(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2 內(nèi)鄉(xiāng)縣煙草專賣局, 河南內(nèi)鄉(xiāng) 474350；3 南陽(yáng)市政府煙葉生產(chǎn)辦公室，河南南陽(yáng) 473000)

2012-08-14

別毅兵(1980—)，男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，碩士研究生， Email: nxtobacco@126.com。

土壤微生物生態(tài)研究初探

別毅兵1,2，李鵬1,2，沈笑天3

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2 內(nèi)鄉(xiāng)縣煙草專賣局, 河南內(nèi)鄉(xiāng) 474350；3 南陽(yáng)市政府煙葉生產(chǎn)辦公室，河南南陽(yáng) 473000)

綜述了土壤微生物種群生物間相互作用與食物鏈結(jié)構(gòu)、土壤微生物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響以及土壤條件變化對(duì)土壤微生物的作用等，為煙區(qū)土壤生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

土壤；微生物；生態(tài)系統(tǒng)

土壤生物生態(tài)屬于土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微觀領(lǐng)域。土壤是土壤生物的載體，生物不斷從土壤中攝取自身生長(zhǎng)發(fā)育所需要的養(yǎng)分，同時(shí)土壤生物也必須不斷地適應(yīng)著土壤這個(gè)特殊的環(huán)境。土壤中空氣通常為水蒸氣所飽和，氧的含量比空氣低或相當(dāng),二氧化碳的濃度比空氣高，土溫的變化比較穩(wěn)定，而且土壤中光線較弱，并有垂直的、季節(jié)性變化。因此生物在土壤中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，必然形成相適應(yīng)的生活習(xí)性、個(gè)體大小、區(qū)系組成與空間分布特征[1]。

1 土壤微生物種群生物間相互作用與食物鏈結(jié)構(gòu)

土壤微生物指土壤中借助光學(xué)顯微鏡才能看到的微小生物，包括原核微生物如細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、放線菌及超顯微結(jié)構(gòu)微生物，以及真核生物如真菌、藻類(藍(lán)藻除外)、地衣和原生動(dòng)物等。

土壤微生物通常有個(gè)體小，數(shù)量多，對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，功能和代謝多樣，繁殖能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。在適宜條件下能不斷繁殖，而且數(shù)量巨大，以重量計(jì)算有5～8 kg/hm2[2]。由于微生物生活習(xí)性和環(huán)境條件的變化，土壤微生物存在明顯的剖面與區(qū)域的分布。細(xì)菌、放線菌在土壤團(tuán)粒內(nèi)部分布較多，真菌則外部多于內(nèi)部，由于受到紫外線照射、營(yíng)養(yǎng)、水分、溫度、通氣、pH等因素及微生物特異性所制約，土壤微生物在土壤剖面上也存在著明顯的垂直分異：表層少，5～20 cm多，植物根系附近微生物最多，20 cm以下隨深度增加而減少。由于地理位置、氣候、植被、水文地質(zhì)等自然成土條件與人類活動(dòng)的影響，不同區(qū)域有不同的土壤類型與理化性質(zhì)，土壤微生物在數(shù)量與區(qū)系組成上存在區(qū)域差異[1]。

自Jenkinson提出測(cè)定土壤微生物量的原理和概念以來(lái)，Jenkinson和Powlson提出了測(cè)定微生物生物量的方法[3]，Van DeWerf和Verstraete提出了土壤微生物生物量可以分為全微生物量和活動(dòng)微生物量[4]，Anderson和Domsch提出了生物量與生物活性中細(xì)菌與真菌的比例為22/78[5]。生物量與生物活性的研究已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。大量的試驗(yàn)研究表明，土壤微生物生物量是植物營(yíng)養(yǎng)元素的一個(gè)重要的源與庫(kù)，生物量對(duì)土壤養(yǎng)分的調(diào)控作用 已經(jīng)成為土壤培肥、耕作制度改革和作物栽培實(shí)踐中的重要理論依據(jù)之一。但對(duì)生物量結(jié)構(gòu)與功能的研究在很多方面并不深入。以往測(cè)定已經(jīng)表明, 長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕能夠提高土壤總生物量但卻降低了活動(dòng)微生物量，傳統(tǒng)的翻耕土壤能夠增加土壤微生物量的周轉(zhuǎn)率等[6,7]。在此研究基礎(chǔ)上，高云超等[8]對(duì)秸稈覆蓋免耕土壤細(xì)菌和真菌生物量與活性進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為土壤微生物生物量在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有非常重要的作用。不同耕作制度條件下土壤細(xì)菌、真菌和總微生物生物量以及活性的變化及其特征表明, 翻耕能提高土壤細(xì)菌生物量，免耕能提高土壤真菌的生物量。但兩種耕作方法對(duì)細(xì)菌/真菌的影響卻不同, 應(yīng)用抗生素抑制法測(cè)得翻耕0～10 cm時(shí)，細(xì)菌/真菌呼吸比為44/56, 翻耕10～20 cm時(shí)為31/69; 免耕0～10 cm時(shí)， 細(xì)菌/真菌呼吸比為49/51, 10～20 cm 為42/58，說(shuō)明翻耕能夠提高土壤真菌的活性, 免耕能提高土壤細(xì)菌的活性, 而真菌在免耕土壤中生物量雖大, 但處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)果可能主要由于免耕相對(duì)通氣性能較差，但有機(jī)質(zhì)豐富, 有利于真菌的生長(zhǎng), 但其活性卻較低。翻耕土壤有利于細(xì)菌的生長(zhǎng)也有利于真菌的活動(dòng)。關(guān)于土壤生物量的活性成分的系統(tǒng)研究很少有報(bào)道，Van DeWerf和Verstraete提出了土壤培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)降解碳源的呼吸動(dòng)力學(xué)分析方法確定活躍成分, 并且根據(jù)呼吸曲線估測(cè)特征性的生物動(dòng)力學(xué)參數(shù), 這一方法能夠較好地說(shuō)明土壤活性生物量成分的變化[9]。FDA (二乙酸熒光素)是一種酶解后能夠發(fā)出熒光的物質(zhì)，Ziegler等指出FDA可以作為一種活性的染色物質(zhì), 并僅能被有代謝活性的生物所吸收，可以檢測(cè)活性微生物。Soderstrom提出了測(cè)定活性真菌生物量的方法[10]。陳灝[11]等采集了幾種種植不同農(nóng)作物的農(nóng)田土壤，分別抽取其中的微生物總DNA ,通過(guò)PCR及變性梯度凝膠電泳獲得了各種農(nóng)田土壤中微生物16s rDNA V3序列的分布，對(duì)其中部分序列進(jìn)行測(cè)序和生物信息學(xué)研究以后，對(duì)農(nóng)田微生物分布做了初步研究。從土壤中不經(jīng)培養(yǎng)直接抽提微生物的總DNA，避免了在培養(yǎng)過(guò)程中的篩選和富集作用，能夠更直接地反映土壤中的微生物多樣性及種群分布情況，較之傳統(tǒng)培養(yǎng),分離、鑒定的全過(guò)程而言,更快也更準(zhǔn)確，發(fā)現(xiàn)了許多新的種群。

2 土壤微生物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響

微生物固持的養(yǎng)分在其死亡后可發(fā)生再礦化, 成為礦質(zhì)養(yǎng)分[12,13]，關(guān)于這方面的研究在近二、三十年以來(lái)才引起人們的重視[14]。由于氮素在生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用, 特別是其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的密切關(guān)系，土壤微生物體所含的氮素(Soil microbial biomass nitrogen, SMBN , 簡(jiǎn)稱土壤微生物量氮)與土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)系是人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[15～18]。周建斌等[19]研究了土壤微生物量氮含量、礦化特性及其供氮作用，論述了土壤中微生物體氮的含量及其影響因素，土壤微生物量氮的礦化特性及其與土壤礦化氮間的關(guān)系，土壤微生物量氮含量與土壤供氮指標(biāo)間的關(guān)系等。提出研究不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物量氮的含量及其變化規(guī)律，不同耕作栽培措施對(duì)土壤微生物量氮含量的影響；土壤微生物量氮在土壤氮素保持和釋放中的作用；土壤微生物量氮的轉(zhuǎn)化率與其供氮量間的關(guān)系；土壤微生物量氮與作物氮素吸收間的關(guān)系等。李志輝等認(rèn)為，好氣性細(xì)菌和固氮菌與速效氮呈極顯著相關(guān)，厭氣性細(xì)菌與速效鉀呈顯著相關(guān)，固氮菌也與速效磷有顯著相關(guān)關(guān)系，真菌與速效鉀有一定程度的負(fù)相關(guān)，鈣元素對(duì)土壤微生物活動(dòng)有一定的抑制作用[20]。

此外，高云超[21]認(rèn)為土壤原生動(dòng)物是一個(gè)重要的土壤微生物類群，它是土壤中繼細(xì)菌和真菌之后的第三大土壤生物區(qū)系，其營(yíng)養(yǎng)類型可以從營(yíng)光合作用的植鞭綱到全動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)的捕食類型，所以它代表了生物界中從植物到動(dòng)物的過(guò)渡類型。其個(gè)體數(shù)量可達(dá)105～107個(gè)/(g 土)，生物量可達(dá)102mg/(kg土)數(shù)量級(jí)；其中變形蟲(chóng)占土壤原生動(dòng)物的50%～90% ，腎形蟲(chóng)占土壤纖毛蟲(chóng)的50%～90%。土壤原生動(dòng)物的主要類群主要捕食細(xì)菌，捕食的結(jié)果使土壤細(xì)菌群落受到調(diào)控，但卻增加了細(xì)菌的活性，從而有利于土壤中碳素的轉(zhuǎn)化和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的有效化。

3 土壤條件變化對(duì)土壤微生物的作用

近年來(lái)，有益微生物的農(nóng)業(yè)應(yīng)用，微生物凈化環(huán)境以及根際環(huán)境與根際微生物的微域生態(tài)系統(tǒng)研究越來(lái)越受到重視[1]。我國(guó)微生物肥料的研究始于20世紀(jì)50年代[22]，主要以土壤中有益微生物為核心，有機(jī)物為基質(zhì)和載體，吸收適量無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和各種微量元素，經(jīng)科學(xué)配比和特殊工藝加工而成。目前我國(guó)微生物肥料種類很多，如根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷細(xì)菌肥料、硅酸鹽細(xì)菌肥料、增產(chǎn)菌肥料、復(fù)合生物肥料及其它一些種類。郜春花[23]等認(rèn)為，這些肥料中的微生物主要有三種，即固氮菌、解磷菌、解鉀菌。有機(jī)物一般是草炭、雞糞、污泥、垃圾等，能增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，產(chǎn)生植物刺激素類物質(zhì)。微生物肥料與化肥相比，生產(chǎn)時(shí)所消耗的能量少得多，既降低了生產(chǎn)成本，又減少了能源消耗所帶來(lái)的環(huán)境污染。微生物肥料施用量少，本身無(wú)毒無(wú)害，沒(méi)有環(huán)境污染問(wèn)題，而化肥的大量和不合理施用造成了嚴(yán)重的土壤環(huán)境污染。微生物肥料的施用能夠改善作物根際生態(tài)小環(huán)境，改善由于長(zhǎng)期施用化肥帶來(lái)的土壤板結(jié)問(wèn)題，同時(shí)微生物自身在繁殖過(guò)程中產(chǎn)生大量糖類物質(zhì)，如左聚糖、葡萄糖、阿拉伯糖等能讓土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，透氣性好，又使土壤變得疏松軟綿，保水能力增強(qiáng)，水、氣、熱更加協(xié)調(diào)。由于施用微生物肥料，作物根際形成有益菌環(huán)境，拮抗病原菌，同時(shí)提高作物抗病能力。許多研究證明施用微生物肥料對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，如蛋白質(zhì)、糖分、維生素等的含量有一定作用。王明友等[24]的研究表明，在玉米、小麥上化肥和微生物肥料配施后，明顯促進(jìn)個(gè)體發(fā)育，穗粒數(shù)和千粒重均得到提高，配施較單施化肥或單施生物肥料效果都好，表明在肥料投入不增加的情況下，可以顯著提高小麥、玉米產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，祝明亮等研究表明，生防制劑中生防菌ZK7在煙草根際具有一定的親和力，可以在煙草外根際、根表定植，并在煙草根際成活、繁殖，為生物制劑的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[25]。

4 討論

土壤生態(tài)的修復(fù)主要是土壤微生物種群結(jié)構(gòu)及數(shù)量的優(yōu)化，作者認(rèn)為煙區(qū)土壤生態(tài)修復(fù)一方面要?jiǎng)?chuàng)造土壤有益微生物適宜的生長(zhǎng)條件，另一方面應(yīng)當(dāng)為有益微生物提供充足的營(yíng)養(yǎng)，由此改善煙區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境，最終改善煙葉質(zhì)量，突出煙葉質(zhì)量風(fēng)格。

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S154.3

A

1001-5280(2012)07-0134-03

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.07.39

責(zé)任編輯：黃燕妮