不同土壤環(huán)境條件下土壤微生物區(qū)系的變化特征分析

張 娜

（蘭州職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730000）

1 影響機理

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，微生物不僅是物質循環(huán)調節(jié)者，而且是有機質和速效養(yǎng)分的一部分，能參與養(yǎng)料轉化、有機碳代謝等多種過程。在微生物作用下，有機質將被分解為簡單的化合物，釋放出礦質養(yǎng)料和能量。對于土壤微生物來講，有機質能為其活動提供養(yǎng)分和能量，因此，土壤中有機質含量越高，微生物種群、數(shù)量越多。而微生物功能群指的是擁有相同功能但不同形態(tài)的微生物，在功能群存在差異的情況下，轉化的有機質不同。因此，微生物功能群數(shù)量能反映土壤各因素給微生物區(qū)系帶來的影響。

從土壤環(huán)境給微生物區(qū)系帶來的影響來看，環(huán)境條件的變化將給微生物生長、繁殖等各方面帶來影響。考慮到微生物受到多種環(huán)境因子的影響，應進一步把握不同因子對微生物的影響規(guī)律，以便通過改善環(huán)境促進有益微生物生長。從現(xiàn)有研究來看，溫濕度、有機質含量、酸堿度等因子都會對微生物造成影響。例如，環(huán)境濕度增加有助于微生物繁殖，但濕度過大會抑制微生物繁殖，所以濕度波動會引起土壤微生物群落變化；有機質含量則用于衡量土壤肥力，其含量與微生物群落大小密切相關，如土壤含有豐富腐殖質時將產生大量細菌；土壤酸堿度直接影響微生物代謝活動，超出微生物適生范圍將引發(fā)微生物死亡。因此，可對3種因子改變后土壤微生物數(shù)量變化情況展開研究，進一步把握土壤環(huán)境條件與微生物區(qū)系之間的關系。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

供試土壤為黑鈣土。采用全球定位系統(tǒng)精準定位采樣位置，共完成3次采樣，各次采樣時間點（15:00—17:00）保持一致。使用五點法采樣，在選定采樣點劃四邊形，在4個頂點和兩條對角線交點采樣，各點采樣深度0～20 cm。用直徑16 cm、高10 cm的玻璃容器盛裝采集的土壤樣品。正式開展試驗前，對采集后的土壤理化性質進行測定，反映真實的采樣環(huán)境。取部分新鮮土樣將大石礫、動植物殘體等去除，采用烘干法測定土樣含水量，并利用硫酸-重鉻酸鉀滴定法測定有機質含量。供試土壤的基本理化性質如下：有機質含量16.61 g/kg，全氮含量0.8 g/kg，全磷含量0.65 g/kg，堿解氮含量97.4 mg/kg，有效磷含量64.11 mg/kg，pH值6.67，容重1.51 g/cm。土壤微生物菌群主要由細菌、真菌、放線菌組成。

2.2 試驗方法

分別稱取3 kg新鮮土壤樣本裝入10個玻璃容器中，編號為0～9。其中，0為對照組，不做任何處理，直接進行不同微生物功能群分類測定。1～9為試驗組，按照不同條件處理，完成正交試驗設計，如表1所示。處理5 d后測定各試驗組的微生物數(shù)量。完成正交試驗后，考慮到有機質礦化等過程需要一定時間，不同時段各環(huán)境因子對微生物區(qū)系產生的影響程度可能發(fā)生變化，需要采用極差分析法分別在第5天、第40天、第130天分析土壤菌群的變化特征，確認不同時段對微生物區(qū)系產生主要影響的環(huán)境因子，進一步掌握土壤中微生物數(shù)量變化規(guī)律。

表1 正交試驗設計

2.3 測定方法

對微生物功能群落進行分類，使用梯度稀釋法完成土樣懸液制備。稱取10 g土樣放入裝有90 mL無菌水和少量玻璃珠的三角瓶，經過20 min振蕩確認充分混合，使用1 mL吸管取懸液添加至裝有9 mL無菌水的試管中。均勻混合后，得到土樣10稀釋液，靜置2 min后稀釋成不同稀釋度的土樣懸液?；凇妒称钒踩珖覙藴?食品微生物學檢驗菌落總數(shù)測定》（GB 4789.2—2016）標準，采用平板計數(shù)法測定菌落總數(shù)?；谖⑸锲桨迮囵B(yǎng)方法，選用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基分別在28～30 ℃溫度條件下培養(yǎng)兩三天，對分離獲得的細菌、真菌計數(shù)。同時，選用改良高氏1號培養(yǎng)基在35 ℃溫度環(huán)境下培養(yǎng)3～5 d，對分離獲得的放線菌計數(shù)。在操作過程中，使用標簽在不同培養(yǎng)皿蓋上標注培養(yǎng)基名稱、懸液稀釋度等信息，各梯度應標記3～5皿。使用吸管將0.2 mL稀釋液滴入平板中央，使用無菌玻璃涂棒沿著培養(yǎng)基表面以直線方式均勻涂布，在室溫下靜置5～10 min后進行倒置培養(yǎng)。利用稀釋培養(yǎng)計數(shù)法計量微生物數(shù)量，稀釋至新鮮培養(yǎng)基中無菌斑生長，可以對之前3個稀釋度培養(yǎng)皿中微生物進行計數(shù)，通過最大或然數(shù)表完成近似值查找，乘以數(shù)量指標首位數(shù)的稀釋倍數(shù)確定菌液含菌數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用相關系數(shù)法，用Excel軟件進行圖表處理。

3 結果與分析

3.1 不同環(huán)境因子給微生物數(shù)量帶來的影響

根據(jù)正交試驗結果（見表2）可知，對細菌數(shù)影響最大的因素為水分，其次為有機質，溫度產生的影響較小。因為土壤含水量達到100%的條件下，細菌數(shù)量最多，同時細菌數(shù)量隨著土壤有機質含量的增加而增加。對真菌來講，水分產生的影響較小，溫度產生的影響較大，在8 ℃條件下真菌數(shù)量較多，之后真菌數(shù)量隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出先減少后增加趨勢。有機質對真菌數(shù)量的影響無明顯規(guī)律。從放線菌數(shù)量變化來看，溫度為主要的影響因素。隨著溫度的增加，放線菌數(shù)量逐步減少。有機質也是影響放線菌數(shù)量的重要因素，因為隨著有機質含量的增加，放線菌數(shù)量有所減少。水分對放線菌數(shù)量產生的影響不明顯。從總體分析結果來看，細菌數(shù)量變化主要受水分因素影響，真菌和放線菌數(shù)量主要受溫度因素影響，而有機質含量會對細菌和放線菌數(shù)量帶來一定影響。相較于對照組，試驗組細菌和放線菌數(shù)都明顯增加。分析原因可知，與各組有機質含量增加密切相關。土壤微生物是土壤物質循環(huán)的主要推動者，將直接參與土壤中有機質的分解、轉化過程，對于土壤質量、肥力效果具有重要影響。有機質作為土壤中各種動植物殘體分解與合成產物的總稱，其含量增加意味著含碳有機物含量增加，能夠給細菌數(shù)量、活力帶來明顯影響。在自然環(huán)境中土壤表面存在覆蓋物，對土壤溫濕度、水分、肥力變化起到一定影響。經由施肥進行土壤理化性質改良后，隨著土壤中有機質含量的增加，細菌、放線菌數(shù)量呈同步增長趨勢，真菌數(shù)量變化則主要受到其他因素的影響。

表2 正交試驗結果 個/g

3.2 各時段不同環(huán)境因子的影響程度

現(xiàn)有研究成果表明，土壤溫度、濕度、成分類型等因素將共同作用于微生物呼吸，進而影響碳循環(huán)。通過施加肥料補充土壤養(yǎng)分、增加有機質含量后，可使細菌、真菌數(shù)量發(fā)生顯著變化。在獲取不同環(huán)境因子對于微生物存活數(shù)量產生影響的試驗結果的基礎上，采用極差分析方法進行不同因子作用關系的判斷，如表3所示。開展長達130 d的試驗獲得的數(shù)據(jù)較多，無法一一羅列。為簡化分析過程，采用極差分析法對相關試驗數(shù)據(jù)進行處理，在其他環(huán)境因子不變的條件下，對單一因子引發(fā)細菌、真菌、放線菌數(shù)量變化情況展開分析，將單一微生物功能群數(shù)量最大值減去最小值可以得到極差。因此，根據(jù)極差大小能確定微生物數(shù)量變化幅度，確定對微生物數(shù)量影響最大的環(huán)境因子。

表3 不同環(huán)境因子與微生物菌群數(shù)量的極差分析 個/g

試驗時長為5 d時，水分因子變化導致細菌數(shù)量極差達到9.44×10個/g，明顯超過有機質和溫度因子變化產生的細菌極差值，因此，水分因子是影響細菌數(shù)量的最主要指標。在水分含量為100%、有機質含量較高的情況下，可使土壤中細菌數(shù)量明顯增加。溫度因子是影響真菌數(shù)量的關鍵指標，真菌數(shù)量在低溫條件下達到峰值，整體來看真菌數(shù)量較少，對于土壤中植物生長的威脅較小。溫度因子同樣對放線菌數(shù)量具有顯著影響。隨著土壤溫度的逐漸升高，放線菌數(shù)量呈不斷減少趨勢，且有機質含量偏低的土壤中放線菌數(shù)量較多。整體來看，試驗時長為5 d時3種微生物的數(shù)量變化幅度較小。

試驗時長為40 d時，溫度因子是影響細菌數(shù)量的最主要因素，有機質含量發(fā)揮次要作用；水分因子是影響真菌數(shù)量的關鍵因素；放線菌數(shù)量變化無明顯規(guī)律，水分含量增加時其數(shù)量略有增加。

試驗時長為130 d時，水分因子是影響細菌數(shù)量變化的最主要因素，第130天細菌數(shù)量極差為1.07×10個 /g，比第 5天的 9.44×10個 /g增加近133倍。溫度因子、有機質含量分別對真菌、放線菌數(shù)量變化產生主要影響。觀察相關試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，細菌數(shù)量在第130天達到峰值；真菌數(shù)量呈先增后降趨勢，有機質含量與真菌數(shù)量成正比；放線菌數(shù)量呈持續(xù)增加趨勢，可實現(xiàn)對細菌、真菌未充分分解化合物的有效分解，但施加肥料條件與放線菌數(shù)量之間未達到差異顯著水平。由此可知，通過施加肥料能使細菌、真菌數(shù)量明顯增多。

由試驗結果可知，土壤環(huán)境因子對于微生物數(shù)量具有直接影響，微生物群落對于溫度變化的響應較為靈敏，水分、有機質含量對不同菌種數(shù)量具有間接影響。在試驗前期改變土壤溫度和含水量條件，并適量增施肥料，將使細菌數(shù)量在發(fā)生大幅變化后逐漸趨于穩(wěn)定，真菌、放線菌數(shù)量變化幅度相對較小，說明細菌對于外部環(huán)境條件變化較為敏感、響應速度較快，但隨著試驗時間延長，其環(huán)境適應力將逐漸提高，由此促使細菌群落分布處于動態(tài)平衡狀態(tài)。而真菌、放線菌數(shù)量變化幅度相對較小、敏感性稍差，對于環(huán)境脅迫存在一定抵御力。從不同試驗周期角度進行分析，溫度因子在試驗時長為40 d時對于細菌數(shù)量變化起主導作用，在試驗時長為40 d時對真菌數(shù)量變化起主導作用，在各時段均對放線菌數(shù)量變化起主導作用。自然界的土壤環(huán)境條件不斷發(fā)生變化，受各種環(huán)境因子綜合影響，微生物群落組成和數(shù)量也將不斷變化。在區(qū)域大環(huán)境條件相對穩(wěn)定的情況下，微生物數(shù)量將與所處小環(huán)境變化密切相關，使微生物區(qū)系呈現(xiàn)出一定的變化特征。

4 結論

選取黑鈣土作為介質，分別考察有機質含量、溫度和含水量3項因子對土壤中細菌、真菌、放線菌數(shù)量變化的作用機制及影響程度，可知短期內起到主要作用的為水分因子。但從微生物區(qū)系長期變化來看，溫度是影響微生物數(shù)量的最主要因素，有機質含量則在各階段都能對細菌和放線菌數(shù)量產生次要影響。但該研究范圍局限于微生物菌群數(shù)量，后續(xù)還需對不同土壤組分、微生物群落結構特征及不同菌種對于土壤質量的功能作用機制進行深入研討，為土壤微生物區(qū)系變化規(guī)律的研究提供借鑒。