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长期施用无机肥和有机肥对土壤微生物多样性的影响

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  摘 要:土壤微生物多样性是土壤质量的重要表征,而土壤微生物多样性又和施肥关系密切。文章主要综述了长期施用无机肥和有机肥对土壤微生物多样性影响的研究进展,旨在探讨长期不同施肥制度对土壤肥力状况的影响,明确长期施肥与土壤微生物多样性的关系,为土壤肥力评价与农田健康管理提供微生物学参数。文章还介绍了常见的土壤微生物多样性的研究方法,分析了目前研究中存在的问题,对未来的研究方向做了展望。
  关键词:土壤质量;长期施肥;微生物多样性
  土壤微生物是地球地表下数量最巨大的生命形式,而仅有1%的微生物体可以在显微镜下观察到。虽然大部分的土壤微生物肉眼不可见,但它们却是地球生物多样性不可或缺的构成部分。在土壤生态系统中,土壤微生物处于核心地位。土壤微生物通过其代谢活动,参与有机质的分解与转化、养分的循环与利用以及土壤肥力的演替等重要过程,是表征土壤质量的重要指标,对于土壤资源的可持续利用具有十分重要的价值。
  土壤微生物多样性(microbial diversity)又称微生物群落结构,描述了微生物群落的种类和种间差异,主要体现在生理功能、细胞组成及遗传物质等层面。微生物多样性对环境要素的变化过程非常敏感,反映了微生物的生态功能差异。因此,土壤微生物的多样性还可以用来衡量土壤生态系统的稳定性与和谐性。Loreau的研究发现,处于不稳定的环境条件和生态系统下的土壤占绝大部分,土壤微生物的多样性越高对生态系统的功能越有积极作用。
  施肥是农业生产中对作物产量及土壤性质影响最大的管理措施之一。土壤微生物与施肥及土壤质量的变化密切相关。有研究表明,施肥通过改变土壤的物理和化学性质,直接或间接地造成土壤微生物的数量、活性和群落结构的变化,而土壤生物肥力的差异又会反过来影响土壤的理化结构和生产力。因此,深入研究施肥对土壤微生物多样性的影响,有利于制定合理的施肥方案,实现土壤质量的提高和土壤资源的可持续利用。土壤微生物多样性和施肥关系密切,研究长期施肥影响土壤微生物多样性的机理及表现特征,为进行土壤质量演替的评价以及科学有效的施肥提供了重要参考。
  一、土壤微生物多样性主要分析方法
  最早的研究方法是分离培养法,它只适用于环境中一小部分微生物的培养,局限很大。近年来,随着生物化学及分子生物学等技术的飞速发展,微生物多样性的研究也向前迈进了一大步。常见的研究方法主要有碳素利用法、磷脂脂肪酸法、分子生物学方法等。
  碳素利用法是通过分析微生物对碳源的利用方式对微生物多样性进行测定。Biolog盘是在试验中常用的手段,对土壤微生物区系的区分效果明显,且能够快速得到大量的原始数据,但是仅限定于生长快速的微生物的测定。
  磷脂脂肪酸PLFA是存在于所有微生物生活着的细胞中的稳定结构组分,对磷脂脂肪酸的种类及组成比例进行分析可以鉴别微生物的多样性。该方法无需进行生物培养,具有快速、准确的优点,能够有效测定土壤微生物的表型结构,但不能在菌种和菌株水平上对微生物进行区分,此外,温度、有机质等因素也会影响测试结果。
  分子生物学研究方法主要包括荧光原位杂交FISH、限制性片段长度多态性RFLP、单链构象多态性SSCP、变性梯度凝胶电泳DGGE和实时荧光定量 PCR 技术等。目前應用最广泛的是PCR-DGGE技术,它具有操作简单、结果可信度高、较快捷等优点,能够在时间和空间维度上提供微生物的动态变化信息。但该方法的检测结果受到DNA的提取效率、纯化和扩增效果等因素的干扰,而且关于细菌数量、基因表达程度以及细胞代谢活性的信息无法反映。此外,近年来,DNA序列分析技术的发展使得基于焦磷酸测序的新一代高通量测序技术在土壤微生物多样性的研究中得到了极大青睐。
  上述几种方法的原理不同、应用范围及精度也不同,各具其特点和局限性。在对土壤微生物的研究中仅采用一种方法可能会造成试验结果的偏差,故一些试验中综合运用了多种技术,以得到微生物多样性及动态变化的更真实数据。
  二、长期定位试验
  樊晓刚的研究发现,土壤微生物区系对连续三年不同施氮水平的响应不显著;Calbrix等(施肥一年)的研究也得出了相似结论,而那些基于长期施肥定位试验的研究则大多认为施肥对微生物群落功能多样性影响显著(如:于树等)。在农业生态系统中土壤微生物群落结构的变化过程往往相当缓慢,短期试验不一定能反映出其变化特征和趋势,而长期定位试验因具有长期性和可重复性等优势,试验结果的准确性和可靠性得到大幅提高。因此长期定位试验在揭示土壤微生物多样性对肥料的反应机制、提供科学高效的施肥参数,实现农业资源的优化等方面意义重大。
  三、长期施用有机和无机肥料对土壤微生物多样性的影响
  农业生态系统稳定性的长期保持离不开土壤微生物的多样性。很多研究表明,施肥措施不同,土壤微生物的群落结构也不同。
  1.长期施用无机肥对土壤微生物多样性的影响
  肥料施入土壤后,为微生物提供新养分的同时,其分解过程还可能会消耗土壤中的原有养分,引起土壤养分状况的改变,而土壤中的养分状态对土壤微生物的生长和活性是否具有抑制作用是决定土壤微生物对无机肥料是何种反应的关键。如,颜慧等发现,细菌PLFA和土壤速效磷的养分含量具有极显著正相关关系。Fierer等利用宏基因组技术发现,氮肥对富营养微生物群落的生长更加有利,这可能是因为氮肥能够影响土壤优势微生物的生存策略(不论是直接还是间接)。
  张士亮等研究显示,长期单独施用无机肥的土壤中微生物的数量与长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(如硝化细菌、纤维分解菌等)的数量增幅较大。但是,在长期施肥定位试验中发现,由于肥料的配比长期不变,不均衡的施肥会导致一些养分因长期不能得到补充变成限制因子,使某些特定的土壤微生物增加或减少,从而影响微生物的群落组成。白震等对东北黑土微生物群落在不同氮肥处理下的变化规律的研究表明,氮肥长期单独施用会过度消耗土壤中的有效磷等养分,使真菌生长受到抑制;而将磷肥与氮肥配和施用增加了细菌的生物量。李秀英等发现与非均衡施肥相比,无机氮磷钾肥的长期均衡施用,明显增加了土壤中的细菌、真菌和放线菌数量。李凤霞等对宁夏灌淤土土壤微生物多样性影响的研究表明,NPK的长期配施使土壤微生物的活性显著提高。   2.长期施用有机肥对土壤微生物多样性的影响
  有机肥含有的大量有机胶体为形成土壤有机、无机复合团聚体提供了物质基础,对活性钙离子的生成以及腐殖质含量的增加都非常有帮助;有机肥还具有丰富的有益功能团,为土壤补充了新的碳源和能源,有利于可溶性碳、氮的形成,从而影响微生物的多样性。但Plaza等认为,有机肥的用量并不是越多越好,因目前用有机肥对土壤进行改良的技术还不够成熟,故其使用应当适量。
  蔡燕飞等的研究显示,农业生产中长期使用生态有机肥可以促进有益土壤微生物的生长,对土壤微生物群落结构能起到调控作用,有利于土壤质量的提高以及土壤微生物多样性的增加;而李东坡等认为每年都向土壤中投入适量的有机肥可以使微生物活性维持在较高水平,对微生物多样性的保持与生态稳定性的维护具有重大意义。魏巍等在黑土区的试验发现,农作物生长更喜欢真菌/细菌比值较低的土壤,而长期向土壤中施入猪粪肥对降低真菌与细菌的比率具有显著效果,调控了土壤中细菌和真菌的结构。
  3.无机肥和有机肥长期配施对土壤微生物多样性的影响
  侯晓杰等认为,在一定条件下,有机和无机肥的合理配施使微生物利用碳源的能力大大增强,微生物群落的功能多样性显著增加。徐阳春等研究发现:在所施的氮、磷、钾数量全部相等的情况下,有机与无机肥配施的效果要远远大于无机肥的单施。Liu等通过研究发现,有机和无机肥长期配施对于土壤微生物量碳、氮含量的增加以及土壤酶活性的提高都具有积极作用。李秀英等发现,无机氮磷钾复合肥与有机肥(猪厩肥或玉米秸秆)长期配施,能使土壤中细菌、真菌及放线菌的数量明显提高。Ebhin等的研究也得出相似结论,他们还发现有机和无机肥的长期配施可以显著提高硝化细菌、氨化细菌及自生固氮菌等的数量。
  四、结语
  以上很多研究表明,施肥处理比不施肥土壤中的微生物多样性高,尤以有机肥配施无机复合肥效果好。但也有人得出不同的结论(如:孟庆杰等)。土壤微生物多样性的影响因素多种多样,肥料的种类、数量以及施用时间的长短等因素只占其中的一小部分。另外,土壤本底值的差异以及试验所采用的分析方法的不同都可能会影响微生物多样性的研究结果。
  五、问题与展望
  农田管理在最近几十年中出现了无机肥用量迅速攀升和有机肥用量不断下降的问题,造成了土壤有机质含量的减少,土壤养分的不平衡,给作物的产量和土壤健康带来隐患。对此,在农业生产的具体实践中,应根据实际情况,制定科学有效的施肥计划,无机肥和有机肥合理配施,为有益微生物种群的生长繁殖创造有利条件,以提高施肥效率。此外,肥料的施用方式对微生物多样性的研究较少,应该重视这方面的研究内容。
  除了施肥外,其它农田管理措施(如轮作、覆膜、浇水等)也对土壤微生物多样性有影响,再加上土壤类型、植被类型、土壤水分和肥力等的交互作用,使得土壤微生物对农田环境要素扰动的反应机制比我们想象的更复杂。因此,应该加强土壤微生物在特定农田生态系统中對施肥以及施肥与其它因子耦合反应机理的研究。
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