不同生態(tài)條件下土壤微生物生物化學(xué)和分子生態(tài)變化及其土壤質(zhì)量指示意義——以太湖地區(qū)水稻土和西南喀斯特土壤為例.pdf

1、不同土地利用和／或土地覆蓋下土壤質(zhì)量演變與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和功能的變化是當(dāng)前地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題。土壤質(zhì)量的系統(tǒng)內(nèi)涵和關(guān)鍵指標(biāo)的篩選在國(guó)際上一直存在著爭(zhēng)論。水稻土是我國(guó)長(zhǎng)期水耕利用下特殊的人為土壤，在我國(guó)的土壤碳固定與糧食安全中有著重要地位，同時(shí)對(duì)全球溫室氣體的排放扮演著重要角色。施肥是我國(guó)水稻高產(chǎn)主要的人為活動(dòng)之一，它影響著土壤本土及團(tuán)聚體顆粒組的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，從而影響了土壤微生物的微域生境條件，引起了微生物群落結(jié)構(gòu)與功

2、能的變化。本實(shí)驗(yàn)采用分子生物學(xué)技術(shù)(PCR-DOGE)，同時(shí)結(jié)合一些分析土壤生物化學(xué)性質(zhì)的方法，研究了不同施肥措施對(duì)土壤性質(zhì)，尤其是對(duì)土壤微生物活性與群落結(jié)構(gòu)的影響。主要研究結(jié)果如下： 1、化肥配施有機(jī)肥在提高水稻土土壤總有機(jī)碳含量的同時(shí)，不僅提高了水稻土的微生物碳氮量，而且改變了微生物的群落結(jié)構(gòu)，提高了土壤微生物的基因多樣性。就微生物群落結(jié)構(gòu)相似性來(lái)說(shuō)，單施化肥下與未施肥下相近，而化肥配施秸稈下與化肥配施豬灰下接近，說(shuō)明土壤的

3、有機(jī)培肥對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有著重要影響。長(zhǎng)期單施化肥下水稻產(chǎn)量的年際波動(dòng)性顯著大于化肥配施有機(jī)肥下的，佐證了化肥配施有機(jī)肥促進(jìn)了水稻土的生態(tài)系統(tǒng)高的初級(jí)生產(chǎn)力與較高的土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。研究結(jié)果還表明，土壤微生物量能夠較好地響應(yīng)施肥措施對(duì)水稻土質(zhì)量的影響，同時(shí)應(yīng)用PCR．DGGE技術(shù)所揭示的微生物分子群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以指示水稻土十年尺度的不同農(nóng)業(yè)管理措施下的土壤質(zhì)量變化。 2、施肥措施影響各個(gè)團(tuán)聚體顆粒組中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，但小于

4、2μm團(tuán)聚體顆粒組中這種影響最為顯著，整體有隨著團(tuán)聚體顆粒組直徑的減小而影響程度不斷增大的趨勢(shì)。其中小于2μm團(tuán)聚體顆粒組中的細(xì)菌種類最多與多樣性最高，而產(chǎn)甲烷菌的種類最少。在小于2μm團(tuán)聚體顆粒組中生存有豐富度和多樣性高的細(xì)菌是由于該團(tuán)聚體顆粒組提供了一個(gè)保護(hù)和便利于獲取外界物質(zhì)與能量的場(chǎng)所，而不是提供儲(chǔ)存在顆粒內(nèi)的碳源。無(wú)論是施肥措施還是團(tuán)聚體顆粒組大小對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，主要通過(guò)它們對(duì)有機(jī)碳性質(zhì)的影響而不是有機(jī)碳數(shù)量的影響，來(lái)完

5、成對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響。施肥措施與團(tuán)聚體顆粒組直徑大小對(duì)于產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)它們的活性影響較為明顯。經(jīng)測(cè)序結(jié)果表明太湖地區(qū)水稻土(黃泥土)主要產(chǎn)甲烷菌優(yōu)勢(shì)種分別屬于Methanomicrobialaceae和Methanosarcinacea?？λ固丨h(huán)境是地理環(huán)境中一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，它處于一種碳物質(zhì)能量循環(huán)變異極強(qiáng)烈和快速的狀態(tài)，具有環(huán)境容量低、群落被替代、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變異敏感度高、空間轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)和穩(wěn)定性差等一系列生

6、態(tài)脆弱性特征，是承災(zāi)能力弱，災(zāi)害承受閾值彈性小的一種生態(tài)脆弱環(huán)境。它在我國(guó)西南地區(qū)有廣泛的分布，由于在20世紀(jì)60-70年代亂砍亂伐和陡坡開(kāi)荒，導(dǎo)致森林覆蓋率急劇下降，使得該地區(qū)的土壤嚴(yán)重退化。最近幾年，一些退化的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)施恢復(fù)計(jì)劃，逐步恢復(fù)它們的功能與作用。本實(shí)驗(yàn)分析了土壤養(yǎng)分、微生物生物化學(xué)指標(biāo)，如土壤呼吸、酶活性、微生物量等和細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，試圖尋找能夠靈敏地響應(yīng)土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)用這些指標(biāo)來(lái)指示退化下喀斯特生

7、態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量演變的過(guò)程和各種生態(tài)恢復(fù)措施的效果，為喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、利用和退化后的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)果如下：1、在喀斯特地區(qū)，土壤代謝商能指示極端退化的土壤質(zhì)量，但沒(méi)能很好地指示植被退化下土壤質(zhì)量演變程度，可土壤養(yǎng)分庫(kù)(總有機(jī)碳、總氮和有效氮)，土壤微生物生物化學(xué)指標(biāo)(基本呼吸、誘導(dǎo)呼吸、堿性磷酸酶、脲酶和微生物量)和細(xì)菌的種類與多樣性能很好地響應(yīng)土壤質(zhì)量變化，但微生物生物化學(xué)指標(biāo)和微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)植被退化下土壤質(zhì)量演

8、變更為靈敏，尤其是對(duì)土壤潛在退化趨勢(shì)的預(yù)警更為靈敏；該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化，不僅導(dǎo)致了土壤的養(yǎng)分庫(kù)減小，而且導(dǎo)致了土壤微生物生物化學(xué)指標(biāo)和多樣性下降。因此，喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的退化不僅影響土壤肥力和初級(jí)生產(chǎn)力，同時(shí)降低了土壤微生物功能與多樣性。因而，退耕還草或還林對(duì)于退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和土壤微生物多樣性的保護(hù)都具有重要的意義。2、在退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)及其恢復(fù)過(guò)程中，土壤養(yǎng)分庫(kù)(總有機(jī)碳、總氮和總磷)和微生物生物化學(xué)指標(biāo)(誘導(dǎo)呼吸、微生

9、物量、脲酶和堿性磷酸酶)都能很好地指示耕作對(duì)土壤質(zhì)量的影響和各種恢復(fù)措施的效果。毀林開(kāi)荒和耕作不僅導(dǎo)致了喀斯特土壤養(yǎng)分水平的下降，而且影響到生存在土壤中微生物的功能與群落結(jié)構(gòu)。盡管各種不同恢復(fù)措施不同程度提高了退化的土壤質(zhì)量，但自然恢復(fù)方式(自然還林和自然還草)效果優(yōu)于人工恢復(fù)方式(人工還林和花椒經(jīng)濟(jì)林)，其中自然還草不僅在土壤 養(yǎng)分而且在微生物活性上的恢復(fù)效果好于其它恢復(fù)措施。3、相對(duì)于裸露地，石林景區(qū)不同植被恢復(fù)下土壤總有機(jī)