不同生態(tài)條件下土壤微生物生物化學和分子生態(tài)變化及其土壤質量指示意義——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量演變與生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的變化是當前地球科學研究的熱點和焦點問題。土壤質量的系統(tǒng)內涵和關鍵指標的篩選在國際上一直存在著爭論。水稻土是我國長期水耕利用下特殊的人為土壤，在我國的土壤碳固定與糧食安全中有著重要地位，同時對全球溫室氣體的排放扮演著重要角色。施肥是我國水稻高產主要的人為活動之一，它影響著土壤本土及團聚體顆粒組的物理、化學和生物學性質，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構與功

2、能的變化。本實驗采用分子生物學技術(PCR-DOGE)，同時結合一些分析土壤生物化學性質的方法，研究了不同施肥措施對土壤性質，尤其是對土壤微生物活性與群落結構的影響。主要研究結果如下： 1、化肥配施有機肥在提高水稻土土壤總有機碳含量的同時，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構，提高了土壤微生物的基因多樣性。就微生物群落結構相似性來說，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，說明土壤的

3、有機培肥對土壤微生物群落結構有著重要影響。長期單施化肥下水稻產量的年際波動性顯著大于化肥配施有機肥下的，佐證了化肥配施有機肥促進了水稻土的生態(tài)系統(tǒng)高的初級生產力與較高的土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。研究結果還表明，土壤微生物量能夠較好地響應施肥措施對水稻土質量的影響，同時應用PCR．DGGE技術所揭示的微生物分子群落結構特點可以指示水稻土十年尺度的不同農業(yè)管理措施下的土壤質量變化。 2、施肥措施影響各個團聚體顆粒組中細菌的群落結構，但小于

4、2μm團聚體顆粒組中這種影響最為顯著，整體有隨著團聚體顆粒組直徑的減小而影響程度不斷增大的趨勢。其中小于2μm團聚體顆粒組中的細菌種類最多與多樣性最高，而產甲烷菌的種類最少。在小于2μm團聚體顆粒組中生存有豐富度和多樣性高的細菌是由于該團聚體顆粒組提供了一個保護和便利于獲取外界物質與能量的場所，而不是提供儲存在顆粒內的碳源。無論是施肥措施還是團聚體顆粒組大小對細菌群落結構的影響，主要通過它們對有機碳性質的影響而不是有機碳數(shù)量的影響，來完

5、成對細菌群落結構的影響。施肥措施與團聚體顆粒組直徑大小對于產甲烷菌的群落結構影響不大，但對它們的活性影響較為明顯。經測序結果表明太湖地區(qū)水稻土(黃泥土)主要產甲烷菌優(yōu)勢種分別屬于Methanomicrobialaceae和Methanosarcinacea?？λ固丨h(huán)境是地理環(huán)境中一個獨特的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，它處于一種碳物質能量循環(huán)變異極強烈和快速的狀態(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、空間轉移能力強和穩(wěn)定性差等一系列生

6、態(tài)脆弱性特征，是承災能力弱，災害承受閾值彈性小的一種生態(tài)脆弱環(huán)境。它在我國西南地區(qū)有廣泛的分布，由于在20世紀60-70年代亂砍亂伐和陡坡開荒，導致森林覆蓋率急劇下降，使得該地區(qū)的土壤嚴重退化。最近幾年，一些退化的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)開始實施恢復計劃，逐步恢復它們的功能與作用。本實驗分析了土壤養(yǎng)分、微生物生物化學指標，如土壤呼吸、酶活性、微生物量等和細菌的群落結構，試圖尋找能夠靈敏地響應土壤質量變化的指標，同時應用這些指標來指示退化下喀斯特生

7、態(tài)系統(tǒng)土壤質量演變的過程和各種生態(tài)恢復措施的效果，為喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護、利用和退化后的生態(tài)恢復提供科學依據(jù)。主要結果如下：1、在喀斯特地區(qū)，土壤代謝商能指示極端退化的土壤質量，但沒能很好地指示植被退化下土壤質量演變程度，可土壤養(yǎng)分庫(總有機碳、總氮和有效氮)，土壤微生物生物化學指標(基本呼吸、誘導呼吸、堿性磷酸酶、脲酶和微生物量)和細菌的種類與多樣性能很好地響應土壤質量變化，但微生物生物化學指標和微生物群落結構對植被退化下土壤質量演

8、變更為靈敏，尤其是對土壤潛在退化趨勢的預警更為靈敏；該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化，不僅導致了土壤的養(yǎng)分庫減小，而且導致了土壤微生物生物化學指標和多樣性下降。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生產力，同時降低了土壤微生物功能與多樣性。因而，退耕還草或還林對于退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的恢復和土壤微生物多樣性的保護都具有重要的意義。2、在退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)及其恢復過程中，土壤養(yǎng)分庫(總有機碳、總氮和總磷)和微生物生物化學指標(誘導呼吸、微生

9、物量、脲酶和堿性磷酸酶)都能很好地指示耕作對土壤質量的影響和各種恢復措施的效果。毀林開荒和耕作不僅導致了喀斯特土壤養(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構。盡管各種不同恢復措施不同程度提高了退化的土壤質量，但自然恢復方式(自然還林和自然還草)效果優(yōu)于人工恢復方式(人工還林和花椒經濟林)，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效果好于其它恢復措施。3、相對于裸露地，石林景區(qū)不同植被恢復下土壤總有機