土壤微生物生態研究初探

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(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128； 2 內鄉縣煙草專賣局, 河南內鄉 474350；3 南陽市政府煙葉生產辦公室，河南南陽 473000)

2012-08-14

別毅兵(1980—)，男，河南內鄉人，碩士研究生， Email: nxtobacco@126.com。

土壤微生物生態研究初探

別毅兵1,2，李鵬1,2，沈笑天3

(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128； 2 內鄉縣煙草專賣局, 河南內鄉 474350；3 南陽市政府煙葉生產辦公室，河南南陽 473000)

綜述了土壤微生物種群生物間相互作用與食物鏈結構、土壤微生物對土壤生態系統的影響以及土壤條件變化對土壤微生物的作用等，為煙區土壤生態修復提供理論依據。

土壤；微生物；生態系統

土壤生物生態屬于土壤生態系統中的微觀領域。土壤是土壤生物的載體，生物不斷從土壤中攝取自身生長發育所需要的養分，同時土壤生物也必須不斷地適應著土壤這個特殊的環境。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,二氧化碳的濃度比空氣高，土溫的變化比較穩定，而且土壤中光線較弱，并有垂直的、季節性變化。因此生物在土壤中經過長期演化，必然形成相適應的生活習性、個體大小、區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構

土壤微生物指土壤中借助光學顯微鏡才能看到的微小生物，包括原核微生物如細菌、藍細菌、放線菌及超顯微結構微生物，以及真核生物如真菌、藻類(藍藻除外)、地衣和原生動物等。

土壤微生物通常有個體小，數量多，對惡劣環境適應性較強，功能和代謝多樣，繁殖能力強等特點[1]。在適宜條件下能不斷繁殖，而且數量巨大，以重量計算有5～8 kg/hm2[2]。由于微生物生活習性和環境條件的變化，土壤微生物存在明顯的剖面與區域的分布。細菌、放線菌在土壤團粒內部分布較多，真菌則外部多于內部，由于受到紫外線照射、營養、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、水文地質等自然成土條件與人類活動的影響，不同區域有不同的土壤類型與理化性質，土壤微生物在數量與區系組成上存在區域差異[1]。

自Jenkinson提出測定土壤微生物量的原理和概念以來，Jenkinson和Powlson提出了測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微生物量[4]，Anderson和Domsch提出了生物量與生物活性中細菌與真菌的比例為22/78[5]。生物量與生物活性的研究已經引起了人們的關注。大量的試驗研究表明，土壤微生物生物量是植物營養元素的一個重要的源與庫，生物量對土壤養分的調控作用 已經成為土壤培肥、耕作制度改革和作物栽培實踐中的重要理論依據之一。但對生物量結構與功能的研究在很多方面并不深入。以往測定已經表明, 長期秸稈覆蓋免耕能夠提高土壤總生物量但卻降低了活動微生物量，傳統的翻耕土壤能夠增加土壤微生物量的周轉率等[6,7]。在此研究基礎上，高云超等[8]對秸稈覆蓋免耕土壤細菌和真菌生物量與活性進行了研究，他們認為土壤微生物生物量在土壤生態系統中具有非常重要的作用。不同耕作制度條件下土壤細菌、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。但兩種耕作方法對細菌/真菌的影響卻不同, 應用抗生素抑制法測得翻耕0～10 cm時，細菌/真菌呼吸比為44/56, 翻耕10～20 cm時為31/69; 免耕0～10 cm時， 細菌/真菌呼吸比為49/51, 10～20 cm 為42/58，說明翻耕能夠提高土壤真菌的活性, 免耕能提高土壤細菌的活性, 而真菌在免耕土壤中生物量雖大, 但處于相對穩定狀態。這種結果可能主要由于免耕相對通氣性能較差，但有機質豐富, 有利于真菌的生長, 但其活性卻較低。翻耕土壤有利于細菌的生長也有利于真菌的活動。關于土壤生物量的活性成分的系統研究很少有報道，Van DeWerf和Verstraete提出了土壤培養穩態降解碳源的呼吸動力學分析方法確定活躍成分, 并且根據呼吸曲線估測特征性的生物動力學參數, 這一方法能夠較好地說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出熒光的物質，Ziegler等指出FDA可以作為一種活性的染色物質, 并僅能被有代謝活性的生物所吸收，可以檢測活性微生物。Soderstrom提出了測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作物的農田土壤，分別抽取其中的微生物總DNA ,通過PCR及變性梯度凝膠電泳獲得了各種農田土壤中微生物16s rDNA V3序列的分布，對其中部分序列進行測序和生物信息學研究以后，對農田微生物分布做了初步研究。從土壤中不經培養直接抽提微生物的總DNA，避免了在培養過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，較之傳統培養,分離、鑒定的全過程而言,更快也更準確，發現了許多新的種群。

2 土壤微生物對土壤生態系統的影響

微生物固持的養分在其死亡后可發生再礦化, 成為礦質養分[12,13]，關于這方面的研究在近二、三十年以來才引起人們的重視[14]。由于氮素在生態系統中的重要作用, 特別是其與農業生產和環境保護的密切關系，土壤微生物體所含的氮素(Soil microbial biomass nitrogen, SMBN , 簡稱土壤微生物量氮)與土壤氮素轉化的關系是人們研究的一個熱點問題[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系，土壤微生物量氮含量與土壤供氮指標間的關系等。提出研究不同生態系統中土壤微生物量氮的含量及其變化規律，不同耕作栽培措施對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化率與其供氮量間的關系；土壤微生物量氮與作物氮素吸收間的關系等。李志輝等認為，好氣性細菌和固氮菌與速效氮呈極顯著相關，厭氣性細菌與速效鉀呈顯著相關，固氮菌也與速效磷有顯著相關關系，真菌與速效鉀有一定程度的負相關，鈣元素對土壤微生物活動有一定的抑制作用[20]。

此外，高云超[21]認為土壤原生動物是一個重要的土壤微生物類群，它是土壤中繼細菌和真菌之后的第三大土壤生物區系，其營養類型可以從營光合作用的植鞭綱到全動物營養的捕食類型，所以它代表了生物界中從植物到動物的過渡類型。其個體數量可達105～107個/(g 土)，生物量可達102mg/(kg土)數量級；其中變形蟲占土壤原生動物的50%～90% ，腎形蟲占土壤纖毛蟲的50%～90%。土壤原生動物的主要類群主要捕食細菌，捕食的結果使土壤細菌群落受到調控，但卻增加了細菌的活性，從而有利于土壤中碳素的轉化和礦質營養的有效化。

3 土壤條件變化對土壤微生物的作用

近年來，有益微生物的農業應用，微生物凈化環境以及根際環境與根際微生物的微域生態系統研究越來越受到重視[1]。我國微生物肥料的研究始于20世紀50年代[22]，主要以土壤中有益微生物為核心，有機物為基質和載體，吸收適量無機營養和各種微量元素，經科學配比和特殊工藝加工而成。目前我國微生物肥料種類很多，如根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷細菌肥料、硅酸鹽細菌肥料、增產菌肥料、復合生物肥料及其它一些種類。郜春花[23]等認為，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，提高作物產量，產生植物刺激素類物質。微生物肥料與化肥相比，生產時所消耗的能量少得多，既降低了生產成本，又減少了能源消耗所帶來的環境污染。微生物肥料施用量少，本身無毒無害，沒有環境污染問題，而化肥的大量和不合理施用造成了嚴重的土壤環境污染。微生物肥料的施用能夠改善作物根際生態小環境，改善由于長期施用化肥帶來的土壤板結問題，同時微生物自身在繁殖過程中產生大量糖類物質，如左聚糖、葡萄糖、阿拉伯糖等能讓土壤形成團粒結構，透氣性好，又使土壤變得疏松軟綿，保水能力增強，水、氣、熱更加協調。由于施用微生物肥料，作物根際形成有益菌環境，拮抗病原菌，同時提高作物抗病能力。許多研究證明施用微生物肥料對提高農產品品質，如蛋白質、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，明顯促進個體發育，穗粒數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、玉米產量，提高經濟效益。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，為生物制劑的應用提供了理論基礎[25]。

4 討論

土壤生態的修復主要是土壤微生物種群結構及數量的優化，作者認為煙區土壤生態修復一方面要創造土壤有益微生物適宜的生長條件，另一方面應當為有益微生物提供充足的營養，由此改善煙區土壤生態環境，最終改善煙葉質量，突出煙葉質量風格。

[1] 楊林章，徐 琪.土壤生態系統[M].北京：科學出版社，2005.4-5.

[2] 史家梁，徐亞同，張圣章.環境生物學[M].上海：華東師范大學出版社.1993.

[3] Jenkinson, DS，Powlson, DW. The effects of biocidal treatments on metabolism in soil V.A method for measuring soil biomass[J]. Soil Biol. Biochem, 1976, 8: 209- 213.

[4] Van DeWerf H.，Verstraete W. Estimation of active soil microbial biomass by mathematical analysis of respiration curves: calibration of the test procedure [J]. Soil Biol Biochem, 1987, 19 (2): 261.

[5] Anderson JPE，Domsch KH. Quantification of bacterial and fungal contributions to soil respiration [J]. Arch Microbiol, 1973, 93: 113-127.

[6] 高云超, 朱文珊, 陳文新.土壤微生物生物量周轉的估算[J].生態學雜志, 1993, 2 (6) : 6-10.

[7] 高云超, 朱文珊, 陳文新.秸稈覆蓋免耕土壤微生物生物量與養分轉化的研究[J].中國農業科學, 1994, 27 (6) : 41- 49.

[8] 高云超，朱文珊，陳文新.對秸稈覆蓋免耕土壤細菌和真菌生物量與活性的研究[J].生態學雜志，2001，20(2)：30-36.

[9] Van DeWerf, Hand Verstraete W. Estimation of active soil microbial biomass by mathematical analysis of respiration curves: calibration of the test procedure[J]. Soil Biol Biochem, 1987, 19 (2): 263- 265.

[10]Soderstrom BE. Vital staining of fungi in pure cultures in soil with fluorescein diacetate[J]. Soil Biol Biochem, 1977,9: 59-63.

[11]陳 灝，唐小樹，林 潔，等.不經培養的農田土壤微生物種群構成及系統分類的初步研究[J].微生物學報，2002，42(4)：478-483.

[12]Jenkinson DS. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil[A]. In: Wilson JR. Advances in Nitrogen Cycling in Agricultural Ecosystems[C]. Wallingford:CAB International, 1988.368-386.

[13]Anderson JPE, Domash KH. Quantities of plant nutrients in the microbial biomass of selected soils[J].Soil Sci,1980, 130: 211-216.

[14]Smith JL, Paul EA. The significance of soil microbial biomass estimations[A]. In: Jean Marc Bollag, Stotzky G. Soil Biochemistry[C]. New York：Marcel Dekker Inc, 1991.359-396.

[15]Shen SM, Pruden G, Jenkinson DS. Mineralization and immobilization of microbial biomass nitrogen[J]. Soil Boil Boichem, 1984, 16: 437-444.

[16]Brookes PC, Landman A, Pruden G, et al. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil[J]. Soil Biol Boichem, 1985,17: 837-842.

[17]Voroney RP, Paul EA. Determination of Kc and Kn in situ for calibration of chloroform fumigation incubation method [J]. Soil Biol Biochem, 1984, 16: 9-14.

[18]Witter E, Martensson AM, Garciu FV. Size of the soil microbial biomass in a long term field experiment as affected by different N fertilizers and organicmanure[J]. Soil Biol Biochem, 1993, 25: 659-669.

[19]周建斌, 陳竹君, 李生秀.土壤微生物量氮含量、礦化特性及其供氮作用[J].生態學報，2001，21(10)：1718-1725.

[20]李志輝, 李躍林, 楊民勝, 等.桉樹人工林地土壤微生物類群的生態分布規律[J].中南林學院學報，2000，20(3)：24-28.

[21]高云超，朱文珊，陳文新.土壤原生動物群落及其生態功能[J].生態學雜志，2000,19 (1)∶59-65.

[22]郜春花，董云中，王 崗.微生物肥料與生態農業[J].農業環境與發展，2003，(3):12-13.

[23]王明友.小麥玉米施用微生物接種劑增產效應初報[J].土壤肥料，2001，(3):33-36

[24]祝明亮，張克勤，李天飛，等.煙草根際厚孢輪枝菌生態效應研究[J].微生物學通報,2002，29(2):4-8.

[25]許 光，李振高.微生物生態學[M].南京:東南大學出版社,1991.144-148.

S154.3

A

1001-5280(2012)07-0134-03

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.07.39

責任編輯：黃燕妮