土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展

土壤中存在丰富的微生物资源,不同土壤系统具有不同的微生物群落,微生物多样性既依赖于生态系统又服务于生态系统。本文从物种多样性、遗传多样性、生态类型多样性、功能多样性四个方面对土壤微生物多样性进行了新的诠释,总结论述了土壤微生物多样性与环境因子如土壤、植物群落和气候条件之间的关系,并对目前存在的问题和今后面临的挑战提出几点看法。     

森林土壤微生物对干旱和氮沉降的响应

干旱和氮沉降深刻影响着人类世森林生态系统的生命活动与物质循环,进而影响全球碳平衡、并反馈作用于气候变化。土壤微生物驱动元素的生物地球化学循环和关键土壤生态过程,在气候变化生物学研究方面具有核心地位和全球重要性。本文综述了干旱和氮沉降对森林土壤细菌和菌根真菌的影响。提出未来应加强全球变化多因子交互作用对土壤微生物多样性、活性与生态功能的研究;建立野外长期定位站,强化亚热带森林生态系统与全球变化研究;注重土壤生物之间互作及网络研究;利用微生物大数据建立相关的机理模型等。从认识微生物多样性和群落组成对全球变化的响应与适应,逐步发展为调控利用微生物群落服务于森林的优化管理、生态资源的合理保护与可持续利用,为充分发挥微生物减缓全球气候变化的作用提供理论基础。     

环境DNA技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

土壤生态系统微生物多样性-稳定性关系的思考

自20世纪50年代以来,生物多样性与生态系统稳定性的关系一直是生态学中重点讨论的理论问题之一.在当今人类活动对自然生态系统产生重大影响的情况下,全面理解生态系统多样性与稳定性的关系,有助于我们更好地应对环境变化和生物多样性丧失等生态问题.在陆地生态系统中,关注重点多集中在地上植物生态系统;而对地下生态系统,尤其是对微生物多样性与系统稳定性关系的研究尚重视不够.事实上,土壤微生物作为生命元素循环的驱动者,主导和参与地下生态系统中一系列重要生态过程,对土壤能否正常有序地执行各项生态功能至关重要.对土壤微生物多样性的研究,能使我们明确土壤中微生物对各种环境条件(包括自然和人为因素)变化的响应机制,更好地维持土壤生态系统的稳定性及其生态服务功能.本文在介绍土壤微生物多样性概念、研究方法、地下生态系统稳定性的基础上,重点讨论了土壤微生物多样性对土壤生态系统稳定性的影响,对多样性-稳定性关系在土壤微生物生态学中的应用进行了较为深入和全面的思考.作者提出,土壤微生物系统是一个动态变化的自组织系统,通过遗传来维持其组成和结构的相对稳定性,通过变异而适应外界干扰,共同构成土壤微生物系统的抵抗力(resistance)和恢复力(resilience),维护土壤生态系统的稳定性.今后土壤微生物多样性-稳定性关系的研究,需要注重地上与地下生态系统的结合与统一,借鉴宏观生态学理论来构建微生物生态学的理论框架,建立微生物多样性-稳定性关系的机理模型,从定性描述向定量表征方向发展.     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

土壤微生物群落构建理论与时空演变特征

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问题,也是预测微生物及其所介导的生态功能对环境条件变化响应、适应和反馈的理论依据。讨论了土壤微生物群落的定义、测度方法和指标,认为群落是联系动植物宏观生态学与微生物生态学的基础,群落构建机制是宏观和微观生态学都需要研究的核心科学问题;从生态学的群落构建理论出发,阐述了包括生态位理论/中性理论、过程理论和多样性-稳定性理论在土壤微生物时空演变研究中的应用,以及微生物群落在时间和空间上的分布特征及其尺度效应;确立了以微生物群落构建理论为基础、不同时空尺度下土壤微生物群落演变特征为主要内容的微生物演变研究的基本框架。     

全球变化背景下内蒙古草原土壤微生物多样性维持机制研究进展

全球变化对人类环境的影响是近几十年世界广泛关注的热点之一。内蒙古草原不仅是我国重要的牲畜和饲料生产基地, 而且有着不可替代的生态系统功能。土壤微生物是地球上多样性最高的生物类群, 在驱动碳氮循环等多种生态系统过程中发挥着至关重要的作用。由于研究技术的限制和群落结构复杂等原因, 土壤微生物生态学研究还处于描述性阶段, 理论研究还很缺乏。鉴于此, 利用分子生物学技术尤其是新一代测序技术, 从理论层面上系统地研究全球变化背景下我国北方草地微生物多样性的维持机制具有重要意义。本文在比较各种环境变化对土壤微生物群落的相对影响的基础上, 分析全球变化对微生物多样性影响的物理化学和生态学机制, 并对未来内蒙古草原微生物多样性的重点研究领域进行了展望, 包括: (1)加强全球变化多因素综合研究; (2)加强微生物多样性维持的生态学机制的研究; (3)加强地上与地下多样性关联机制的研究; (4)加强全球大尺度多生态系统的整合研究。     

城市化对土壤生态环境的影响研究进展

城市土壤是城市生态系统中最重要的组成部分之一,发挥着重要的生态系统服务功能。在全球快速城市化的背景下,城市土壤受到人类活动的强烈干扰,土壤物理、化学性质发生改变,土壤退化与污染日益加重。城市土壤退化导致土壤动物生态特征与行为模式发生变化,城市景观格局与土地利用类型的变化强烈影响了土壤动物的栖息地,为土壤动物的生存与生物多样性带来潜在威胁;另一方面,城市化过程改变了土壤微生物群落组成与功能特征。城市化直接影响了城市土壤维持植物生长、土壤自然消减能力以及碳储存功能等重要的生态系统服务功能。针对城市化过程对土壤生态环境产生的一系列影响,需要采用科学的管理方式,改善土壤理化性质,提高土壤环境质量,保护和恢复土壤生物多样性,从而增强城市土壤的生态系统服务功能。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

土壤微生物总活性研究方法进展

微生物总活性是指在某一时段内微生物所有生命活动的总和,它直接决定着微生物行使生理、生态功能的能力,是微生物学研究的热点,也是难点。迄今为止,还没有建立直接测定微生物总活性的方法,只能用一些相关指标来间接反映它。目前常用的指标主要包括微生物的呼吸速率、生长速率以及胞内RNA含量等。与其它一些基质和环境相比,测定土壤中的微生物总活性更为困难。通过总结研究土壤微生物总活性常用的3种方法,在简略概括传统的土壤微生物呼吸测定法的基础上,详细介绍了放射性同位素标记法和RNA直接表征法的原理和操作流程,整理归纳了一些重要应用案例,比较分析了不同方法的优缺点,以期为选择研究土壤微生物总活性的适宜方法提供依据。     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响

研究长期小麦连作施肥条件下土壤微生物量碳、氮,土壤呼吸的变化及其与土壤养分的相关性。以陕西长武长期定位试验为平台,应用氯仿熏蒸-K2SO4提取法、碱液吸收法和化学分析法分析了长达26a不同施肥处理农田土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤呼吸之间的差异及其调控土壤肥力的作用。长期施肥及种植作物,均能提高土壤微生物量碳、氮含量,尤其是施用有机肥,土壤微生物量碳、氮含量高于单施无机肥的处理,土壤呼吸量也提高15.91%—75.73%,而施用无机肥对于土壤呼吸无促进作用。土壤微生物生物量碳氮、土壤呼吸与土壤有机质、全氮呈极显著相关。长期有机无机肥配施可以提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸,氮磷肥与厩肥配施对提高土壤肥力效果最好。微生物量碳氮及土壤呼吸可以反映土壤质量的变化,作为评价土壤肥力的生物学指标。     

耕作方式对紫色水稻土有机碳和微生物生物量碳的影响

以位于西南大学的农业部紫色土生态环境重点野外科学观测试验站始于1990年的长期定位试验田为对象,研究了冬水田平作(DP)、水旱轮作(SH)、垄作免耕(LM)及垄作翻耕(LF)等4种耕作方式对紫色水稻土有机碳(SOC)和微生物生物量碳(SMBC)的影响。结果表明,4种耕作方式下SOC和SMBC均呈现出在土壤剖面垂直递减趋势,翻耕栽培下其降低较均匀,而免耕栽培下其富集在表层土壤中。同一土层不同耕作方式间SOC和SMBC的差异在表层最大,随着土壤深度的增加,各处理之间的差异逐渐减小。在0—60 cm剖面中,SOC含量依次为:LM(17.6 g/kg)>DP(13.9 g/kg)>LF(12.5 g/kg)>SH(11.3 g/kg),SOC储量也依次为:LM(158.52 Mg C/hm2)>DP(106.74 Mg C/hm2)>LF(93.11 Mg C/hm2)>SH(88.59 Mg C/hm2),而SMBC含量则依次为:LM(259 mg/kg)>SH(213 mg/kg)>LF(160 mg/kg)>DP(144 mg/kg)。与其它3种耕作方式比较,LM处理显著提高SOC含量和储量以及SMBC含量。对土壤微生物商(SMBC/SOC)进行分析发现,耕作方式对SOC和SMBC的影响程度并不一致。SMBC与SOC、全氮、全磷、全硫、碱解氮、有效磷均呈现极显著正相关(P<0.01),与有效硫呈显著正相关(P<0.05);表明SMBC可以作为表征紫色水稻土土壤肥力的敏感因子。     

种植Bt玉米对土壤微生物活性和肥力的影响

在温室种植比较了美国Bt玉米(34B2 4 (Mon810 ) )与同源常规玉米(34B2 3)、中国Bt玉米(12 4 6×14 82 (Cry1A) )与常规玉米(农大3138)对土壤微生物活性和肥力的影响。结果表明,两个Bt玉米品种5次取样(2 5、39、5 3、6 7、82 d)的根际土壤中都能检测到Bt蛋白,含量在2 0～80 ng·g- 1 dry soil之间。4个处理土壤硝化作用和精氨酸氨化作用强度在所有取样时期均没有显著差异;土壤蔗糖酶、土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性则分别只在2 5 d(农大3138<34B2 4与12 4 6×14 82 )、6 7d(34B2 4 >12 4 6×14 82和农大3138)和6 7d(34B2 4 >其它3个处理)存在显著差异;土壤脱氢酶、土壤脲酶和土壤呼吸强度则在多数取样时期多个处理间存在显著差异,说明其与玉米品种特性关系密切,其中,土壤脱氢酶和脲酶活性的差异在两个Bt玉米品种、Bt与同源常规品种(34B2 4与34B2 3)、Bt与常规品种(12 4 6×14 82与农大3138)以及常规与常规品种(34B2 3与农大3138)之间均没有一致的规律,但34B2 4与34B2 3处理的土壤呼吸作用强度高于12 4 6×14 82与农大3138,说明种植该系列品种的土壤中微生物总活性较高、土壤代谢旺盛。82 d后4个处理土壤有机质、NPK全量与速效养分含量均没有显著差异。本试验观测期种植Bt玉米并没有导致土壤微生物活性和土     

土壤微生物学特性对土壤健康的指示作用

土壤健康是陆地生态系统可持续发展的基础。作者通过概述土壤微生物学特性(土壤微生物群落结构、土壤微生物生物量、土壤酶活性)与土壤质量的关系, 阐明了土壤微生物对土壤健康的生物指示功能。研究表明: 土壤中细菌、真菌和放线菌的组成及其所占比率在一定程度上反映了土壤的肥力水平: 在土壤性质和肥水条件较好的土壤中, 细菌所占比率较高。土壤微生物生物量与土壤有机质含量密切相关, 而且土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值(C_mic : C_org)和土壤微生物代谢熵(qCO2)的变化在一定程度上反映了土壤有机碳的利用效率。一般情况下, 土壤酶活性高的土壤中, 土壤微生物生物量碳、氮含量也高。因此, 土壤微生物学特性可以反映土壤质量的变化, 并可用作评价土壤健康的生物指标。     

耕作方式对潮土土壤团聚体微生物群落结构的影响

为探究不同耕作方式对潮土土壤团聚体微生物群落结构和多样性的影响,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法测定了土壤团聚体中微生物群落。试验设置4个耕作处理,分别为旋耕+秸秆还田(RT)、深耕+秸秆还田(DP)、深松+秸秆还田(SS)和免耕+秸秆还田(NT)。结果表明:与RT相比,DP处理显著提高了原状土壤和>5 mm粒级土壤团聚体中真菌PLFAs量和真菌/细菌,为真菌的繁殖提供了有利条件,有助于土壤有机质的贮存,提高了土壤生态系统的缓冲能力;提高了5～2 mm粒级土壤团聚体中细菌PLFAs量,降低了土壤革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌,改善了土壤营养状况;提高了<0.25 mm粒级土壤团聚体中微生物丰富度指数。总的来说,深耕+秸秆还田(DP)对土壤团聚体细菌和真菌生物量有一定的提高作用,并且在一定程度上改善了土壤团聚体微生物群落结构,有利于增加土壤固碳能力和保持土壤微生物多样性。冗余分析结果表明,土壤团聚体总PLFAs量、细菌、革兰氏阴性菌和放线菌PLFAs量与土壤有机碳相关性较强,革兰氏阳性菌PLFAs量与总氮相关性较强。各处理较大粒级土壤团聚体微生物群落主要受碳氮比、含水量、pH值和团聚体质量分数的影响,较小粒级土壤团聚体微生物群落则主要受土壤有机碳和总氮的影响。     

植物、土壤及土壤管理对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,对土壤微生物群落结构多样性的研究是近年来土壤生态学研究的热点。本文综述了有关植物、土壤类型以及土壤管理措施对土壤微生物群落结构影响的最新研究结果,指出植物的作用因植物群落结构多样性、植物种类、同种植物不同的基因型,甚至同一植物不同根的区域而异;而土壤的作用与土壤质地和有机质含量等因素有关;植物和土壤类型在对土壤微生物群落结构影响上的作用存在互作关系。不同的土壤管理措施对土壤微生物群落结构影响较大,长期连作、大量的外援化学物质的应用降低了土壤微生物的多样性;而施用有机肥、免耕可以增加土壤微生物群落结构多样性,有利于维持土壤生态系统的功能。     

保护性耕作对土壤微生物群落及其介导的碳循环功能的影响

农田生态系统耕作方式显著影响土壤微生物群落结构和功能,进而影响土壤微生物介导的土壤碳循环过程。以免耕结合作物秸秆还田为核心的保护性耕作是提升土壤碳汇功能和肥力的重要措施,其中土壤微生物发挥了关键作用。尽管有较多关于保护性耕作下微生物群落结构与功能的研究,但由于土壤系统的复杂性、环境因素以及微生物群落评价方法的差异性,尚未形成对保护性耕作下土壤微生物群落响应规律的系统认知。此外,研究多关注土壤微生物作为分解者的作用以及植物源碳对土壤碳库形成的贡献,而忽略了微生物源碳对土壤碳库形成和稳定的贡献。本文在归纳土壤有机质形成和稳定理论体系演变的基础上,梳理了土壤微生物研究方法的进展,重点阐述了保护性耕作对土壤微生物生物量、群落多样性和组成、碳代谢活性以及微生物源有机碳截获的影响,并对未来该领域的研究方向进行展望,以期为探索农田生态系统土壤微生物群落响应规律及其介导的土壤碳循环功能提供参考。     

土壤微生物生物量在团聚体中的分布以及耕作影响

了解土壤微生物在土壤结构体内部的分布对于预测相关的土壤生物化学过程具有重要意义。由于气候、土壤以及耕作的影响,该领域的研究结果存在很大的空间和时间变异,因此有待进行更多的在不同气候和土壤类型下的研究。首次报道亚热带紫色水稻土中微生物生物量在长期不同耕作方式的土壤中不同水稳性团聚体中的分布特征。结果表明微生物生物量在紫色水稻土水稳定性团聚体中的分布模式决定于土壤结构本身,而耕作方式的影响不显著;微生物生物量碳在不同粒级土壤团聚体中无显著性差异,微生物生物量氮与可溶性有机碳在0．25～0．053mm微团聚体中含量最高;垄作免耕显著提高土壤团聚体中的微生物生物量及可溶性有机碳含量,而对微生物生物量及可溶性有机碳在土壤团聚体中的分布模式无显著影响。