長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥對(duì)土壤微生物多樣性的影響

洪昕

摘 要：土壤微生物多樣性是土壤質(zhì)量的重要表征，而土壤微生物多樣性又和施肥關(guān)系密切。文章主要綜述了長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥對(duì)土壤微生物多樣性影響的研究進(jìn)展，旨在探討長(zhǎng)期不同施肥制度對(duì)土壤肥力狀況的影響，明確長(zhǎng)期施肥與土壤微生物多樣性的關(guān)系，為土壤肥力評(píng)價(jià)與農(nóng)田健康管理提供微生物學(xué)參數(shù)。文章還介紹了常見(jiàn)的土壤微生物多樣性的研究方法，分析了目前研究中存在的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)的研究方向做了展望。

關(guān)鍵詞：土壤質(zhì)量;長(zhǎng)期施肥;微生物多樣性

土壤微生物是地球地表下數(shù)量最巨大的生命形式，而僅有1%的微生物體可以在顯微鏡下觀察到。雖然大部分的土壤微生物肉眼不可見(jiàn)，但它們卻是地球生物多樣性不可或缺的構(gòu)成部分。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物處于核心地位。土壤微生物通過(guò)其代謝活動(dòng)，參與有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分的循環(huán)與利用以及土壤肥力的演替等重要過(guò)程，是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)于土壤資源的可持續(xù)利用具有十分重要的價(jià)值。

土壤微生物多樣性（microbial diversity）又稱(chēng)微生物群落結(jié)構(gòu)，描述了微生物群落的種類(lèi)和種間差異，主要體現(xiàn)在生理功能、細(xì)胞組成及遺傳物質(zhì)等層面。微生物多樣性對(duì)環(huán)境要素的變化過(guò)程非常敏感，反映了微生物的生態(tài)功能差異。因此，土壤微生物的多樣性還可以用來(lái)衡量土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與和諧性。Loreau的研究發(fā)現(xiàn)，處于不穩(wěn)定的環(huán)境條件和生態(tài)系統(tǒng)下的土壤占絕大部分，土壤微生物的多樣性越高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能越有積極作用。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)作物產(chǎn)量及土壤性質(zhì)影響最大的管理措施之一。土壤微生物與施肥及土壤質(zhì)量的變化密切相關(guān)。有研究表明，施肥通過(guò)改變土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，直接或間接地造成土壤微生物的數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)的變化，而土壤生物肥力的差異又會(huì)反過(guò)來(lái)影響土壤的理化結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力。因此，深入研究施肥對(duì)土壤微生物多樣性的影響，有利于制定合理的施肥方案，實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量的提高和土壤資源的可持續(xù)利用。土壤微生物多樣性和施肥關(guān)系密切，研究長(zhǎng)期施肥影響土壤微生物多樣性的機(jī)理及表現(xiàn)特征，為進(jìn)行土壤質(zhì)量演替的評(píng)價(jià)以及科學(xué)有效的施肥提供了重要參考。

一、土壤微生物多樣性主要分析方法

最早的研究方法是分離培養(yǎng)法，它只適用于環(huán)境中一小部分微生物的培養(yǎng)，局限很大。近年來(lái)，隨著生物化學(xué)及分子生物學(xué)等技術(shù)的飛速發(fā)展，微生物多樣性的研究也向前邁進(jìn)了一大步。常見(jiàn)的研究方法主要有碳素利用法、磷脂脂肪酸法、分子生物學(xué)方法等。

碳素利用法是通過(guò)分析微生物對(duì)碳源的利用方式對(duì)微生物多樣性進(jìn)行測(cè)定。Biolog盤(pán)是在試驗(yàn)中常用的手段，對(duì)土壤微生物區(qū)系的區(qū)分效果明顯，且能夠快速得到大量的原始數(shù)據(jù)，但是僅限定于生長(zhǎng)快速的微生物的測(cè)定。

磷脂脂肪酸PLFA是存在于所有微生物生活著的細(xì)胞中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)組分，對(duì)磷脂脂肪酸的種類(lèi)及組成比例進(jìn)行分析可以鑒別微生物的多樣性。該方法無(wú)需進(jìn)行生物培養(yǎng)，具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效測(cè)定土壤微生物的表型結(jié)構(gòu)，但不能在菌種和菌株水平上對(duì)微生物進(jìn)行區(qū)分，此外，溫度、有機(jī)質(zhì)等因素也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

分子生物學(xué)研究方法主要包括熒光原位雜交FISH、限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性RFLP、單鏈構(gòu)象多態(tài)性SSCP、變性梯度凝膠電泳DGGE和實(shí)時(shí)熒光定量 PCR 技術(shù)等。目前應(yīng)用最廣泛的是PCR-DGGE技術(shù)，它具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)果可信度高、較快捷等優(yōu)點(diǎn)，能夠在時(shí)間和空間維度上提供微生物的動(dòng)態(tài)變化信息。但該方法的檢測(cè)結(jié)果受到DNA的提取效率、純化和擴(kuò)增效果等因素的干擾，而且關(guān)于細(xì)菌數(shù)量、基因表達(dá)程度以及細(xì)胞代謝活性的信息無(wú)法反映。此外，近年來(lái)，DNA序列分析技術(shù)的發(fā)展使得基于焦磷酸測(cè)序的新一代高通量測(cè)序技術(shù)在土壤微生物多樣性的研究中得到了極大青睞。

上述幾種方法的原理不同、應(yīng)用范圍及精度也不同，各具其特點(diǎn)和局限性。在對(duì)土壤微生物的研究中僅采用一種方法可能會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差，故一些試驗(yàn)中綜合運(yùn)用了多種技術(shù)，以得到微生物多樣性及動(dòng)態(tài)變化的更真實(shí)數(shù)據(jù)。

二、長(zhǎng)期定位試驗(yàn)

樊曉剛的研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物區(qū)系對(duì)連續(xù)三年不同施氮水平的響應(yīng)不顯著;Calbrix等（施肥一年）的研究也得出了相似結(jié)論，而那些基于長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)的研究則大多認(rèn)為施肥對(duì)微生物群落功能多樣性影響顯著（如：于樹(shù)等）。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程往往相當(dāng)緩慢，短期試驗(yàn)不一定能反映出其變化特征和趨勢(shì)，而長(zhǎng)期定位試驗(yàn)因具有長(zhǎng)期性和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性得到大幅提高。因此長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在揭示土壤微生物多樣性對(duì)肥料的反應(yīng)機(jī)制、提供科學(xué)高效的施肥參數(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的優(yōu)化等方面意義重大。

三、長(zhǎng)期施用有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料對(duì)土壤微生物多樣性的影響

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的長(zhǎng)期保持離不開(kāi)土壤微生物的多樣性。很多研究表明，施肥措施不同，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)也不同。

1.長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤微生物多樣性的影響

肥料施入土壤后，為微生物提供新養(yǎng)分的同時(shí)，其分解過(guò)程還可能會(huì)消耗土壤中的原有養(yǎng)分，引起土壤養(yǎng)分狀況的改變，而土壤中的養(yǎng)分狀態(tài)對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)和活性是否具有抑制作用是決定土壤微生物對(duì)無(wú)機(jī)肥料是何種反應(yīng)的關(guān)鍵。如，顏慧等發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌PLFA和土壤速效磷的養(yǎng)分含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系。Fierer等利用宏基因組技術(shù)發(fā)現(xiàn)，氮肥對(duì)富營(yíng)養(yǎng)微生物群落的生長(zhǎng)更加有利，這可能是因?yàn)榈誓軌蛴绊懲寥纼?yōu)勢(shì)微生物的生存策略（不論是直接還是間接）。

張士亮等研究顯示，長(zhǎng)期單獨(dú)施用無(wú)機(jī)肥的土壤中微生物的數(shù)量與長(zhǎng)期不施肥的土壤相比，有一定幅度的增加;而且某些生理菌群（如硝化細(xì)菌、纖維分解菌等）的數(shù)量增幅較大。但是，在長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于肥料的配比長(zhǎng)期不變，不均衡的施肥會(huì)導(dǎo)致一些養(yǎng)分因長(zhǎng)期不能得到補(bǔ)充變成限制因子，使某些特定的土壤微生物增加或減少，從而影響微生物的群落組成。白震等對(duì)東北黑土微生物群落在不同氮肥處理下的變化規(guī)律的研究表明，氮肥長(zhǎng)期單獨(dú)施用會(huì)過(guò)度消耗土壤中的有效磷等養(yǎng)分，使真菌生長(zhǎng)受到抑制;而將磷肥與氮肥配和施用增加了細(xì)菌的生物量。李秀英等發(fā)現(xiàn)與非均衡施肥相比，無(wú)機(jī)氮磷鉀肥的長(zhǎng)期均衡施用，明顯增加了土壤中的細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量。李鳳霞等對(duì)寧夏灌淤土土壤微生物多樣性影響的研究表明，NPK的長(zhǎng)期配施使土壤微生物的活性顯著提高。

2.長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物多樣性的影響

有機(jī)肥含有的大量有機(jī)膠體為形成土壤有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合團(tuán)聚體提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)活性鈣離子的生成以及腐殖質(zhì)含量的增加都非常有幫助;有機(jī)肥還具有豐富的有益功能團(tuán)，為土壤補(bǔ)充了新的碳源和能源，有利于可溶性碳、氮的形成，從而影響微生物的多樣性。但Plaza等認(rèn)為，有機(jī)肥的用量并不是越多越好，因目前用有機(jī)肥對(duì)土壤進(jìn)行改良的技術(shù)還不夠成熟，故其使用應(yīng)當(dāng)適量。

蔡燕飛等的研究顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期使用生態(tài)有機(jī)肥可以促進(jìn)有益土壤微生物的生長(zhǎng)，對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)能起到調(diào)控作用，有利于土壤質(zhì)量的提高以及土壤微生物多樣性的增加;而李東坡等認(rèn)為每年都向土壤中投入適量的有機(jī)肥可以使微生物活性維持在較高水平，對(duì)微生物多樣性的保持與生態(tài)穩(wěn)定性的維護(hù)具有重大意義。魏巍等在黑土區(qū)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物生長(zhǎng)更喜歡真菌/細(xì)菌比值較低的土壤，而長(zhǎng)期向土壤中施入豬糞肥對(duì)降低真菌與細(xì)菌的比率具有顯著效果，調(diào)控了土壤中細(xì)菌和真菌的結(jié)構(gòu)。

3.無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥長(zhǎng)期配施對(duì)土壤微生物多樣性的影響

侯曉杰等認(rèn)為，在一定條件下，有機(jī)和無(wú)機(jī)肥的合理配施使微生物利用碳源的能力大大增強(qiáng)，微生物群落的功能多樣性顯著增加。徐陽(yáng)春等研究發(fā)現(xiàn)：在所施的氮、磷、鉀數(shù)量全部相等的情況下，有機(jī)與無(wú)機(jī)肥配施的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)肥的單施。Liu等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)和無(wú)機(jī)肥長(zhǎng)期配施對(duì)于土壤微生物量碳、氮含量的增加以及土壤酶活性的提高都具有積極作用。李秀英等發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)氮磷鉀復(fù)合肥與有機(jī)肥（豬廄肥或玉米秸稈）長(zhǎng)期配施，能使土壤中細(xì)菌、真菌及放線(xiàn)菌的數(shù)量明顯提高。Ebhin等的研究也得出相似結(jié)論，他們還發(fā)現(xiàn)有機(jī)和無(wú)機(jī)肥的長(zhǎng)期配施可以顯著提高硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌及自生固氮菌等的數(shù)量。

四、結(jié)語(yǔ)

以上很多研究表明，施肥處理比不施肥土壤中的微生物多樣性高，尤以有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)復(fù)合肥效果好。但也有人得出不同的結(jié)論（如：孟慶杰等）。土壤微生物多樣性的影響因素多種多樣，肥料的種類(lèi)、數(shù)量以及施用時(shí)間的長(zhǎng)短等因素只占其中的一小部分。另外，土壤本底值的差異以及試驗(yàn)所采用的分析方法的不同都可能會(huì)影響微生物多樣性的研究結(jié)果。

五、問(wèn)題與展望

農(nóng)田管理在最近幾十年中出現(xiàn)了無(wú)機(jī)肥用量迅速攀升和有機(jī)肥用量不斷下降的問(wèn)題，造成了土壤有機(jī)質(zhì)含量的減少，土壤養(yǎng)分的不平衡，給作物的產(chǎn)量和土壤健康帶來(lái)隱患。對(duì)此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，制定科學(xué)有效的施肥計(jì)劃，無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥合理配施，為有益微生物種群的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造有利條件，以提高施肥效率。此外，肥料的施用方式對(duì)微生物多樣性的研究較少，應(yīng)該重視這方面的研究?jī)?nèi)容。

除了施肥外，其它農(nóng)田管理措施（如輪作、覆膜、澆水等）也對(duì)土壤微生物多樣性有影響，再加上土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型、土壤水分和肥力等的交互作用，使得土壤微生物對(duì)農(nóng)田環(huán)境要素?cái)_動(dòng)的反應(yīng)機(jī)制比我們想象的更復(fù)雜。因此，應(yīng)該加強(qiáng)土壤微生物在特定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)施肥以及施肥與其它因子耦合反應(yīng)機(jī)理的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Calbrix R， Barray S， Chabrerie O， et al. Impact of organic amendments on the dynamics of soil microbial biomass and bacterial communities in cultivated land [J]. Applied Soil Ecology， 2007， 35（3）：51112.

[2]Ebhin Masto R， Chhonkar P K， Dhyan Singh， et al. Changes in soil biological and biochemical characteristics in a long-term field trial on a sub-tropical inceptisol [J]. Soil Biology and Biochemistry， 2006， 38（7）： 1577-1582.

[3]Fierer N， Lauber CL， Ramirez KS， et al. Comparative metagenomic， phylogenetic and physiological analyses of soil microbial communities across nitrogen gradients [J]. The ISME Journal， 2012， 6：1007-1017.

[4]Liu E K， Yan C R， Mei X R， et al. Long-term effect of chemical fertilizer， straw， and manure on soil chemical and biological properties in northwest China [J]. Geoderma， 2010， 158：173-180.

[5]Loreau M. Microbial diversity， producer-decomposer interactions and ecosystem processes： a theoretical model[C]. Proceedings of the Royal Society of London B： Biological Sciences ， 2001， 268：303-309.

[6]Plaza C， Hernandez D， Garcia-Gil J C， Polo A. Microbial activity in pig slurry-amended soils under semiarid conditions [J]. Soil Biology and Biochemistry， 2004， 36（10）：1577-1585.

[7]白震，張旭東，何紅波，等. 長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)農(nóng)業(yè)黑土NLFA與PLFA特性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2007，44（4）： 709-716.

[8]蔡燕飛，廖宗文，章家恩，等. 生態(tài)有機(jī)肥對(duì)番茄青枯病及土壤微生物多樣性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14（3）：349-353.

[9]樊曉剛. 耕作對(duì)土壤微生物多樣性的影響[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2010：6.

[10]侯曉杰，汪景寬，李世朋. 不同施肥處理與地膜覆蓋對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（2）：655-661.

[11]李東坡，武志杰，陳利軍. 有機(jī)農(nóng)業(yè)施肥方式對(duì)土壤微生物活性的影響研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，13（2）：99-101.

[12]李鳳霞，王世榮，吳霞，王長(zhǎng)軍. 長(zhǎng)期施肥對(duì)寧夏灌淤土土壤微生物多樣性的影響[J]. 土壤通報(bào)，2016 ，47（5）：1134-1141.

[13]李秀英，趙秉強(qiáng)，李絮華，等. 不同施肥制度對(duì)土壤微生物的影響及其與土壤肥力的關(guān)系[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（8）：1591-1599.

[14]孟慶杰，許艷麗，李春杰，等. 不同施肥/土地利用方式對(duì)黑土細(xì)菌多樣性的影響[J]. 大豆科學(xué)，2008，27（3）：480-486.

[15]魏巍，許艷麗，朱琳，等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)黑土農(nóng)田土壤微生物群落的影響[J].土壤學(xué)報(bào)，2013，50（2）：373-380.徐陽(yáng)春，沈其榮，冉煒. 長(zhǎng)期免耕與施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響[J].

[16]土壤學(xué)報(bào)，2002，39（1）：89-96.顏慧，鐘文輝，李忠佩，等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤水稻土磷脂脂肪酸特征和酶活性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19（1）：71-75.

[17]于樹(shù)，汪景寬，李雙異. 應(yīng)用PLFA方法分析長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)玉米地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（9）：4221-4227.

[18]張士亮，李鵬. 施肥對(duì)土壤微生物多樣性的影響[J]. 中國(guó)林副特產(chǎn)，2011（1）：94，96-98.