地膜覆盖对微生物群落结构的影响

地膜覆盖对土壤微生物群落结构的影响摘要：地膜覆盖因其对改善耕层土壤的水热状况具有显著作用，在中国北方干旱半干旱地区被广泛应用。土壤的结构、通气性、水分状况、养分状况等对土壤微生物均有重要影响。本文研究了长期覆膜栽培条件下的土壤微生物种群和生物活性,为地膜覆盖栽培技术的长期应用和持续发挥增产作用提供科学依据。关键字：地膜覆盖；微生物群落结构土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分,是土壤有机质及养分转化、循环的主要动力,在推动地球生物化学元素循环过程中起着重要作用[1]。土壤微生物组成的质与量的变化是土壤健康状况的重要敏感指示[2]。土壤微生物多样性可以定义为生命的丰富度,代表着微生物群落的稳定性,也反映土壤生态机制及土壤胁迫对微生物群落的影响。土壤微生物群落结构主要指土壤中各主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比率,其结构和功能的变化与土壤理化性质的变化有关[3]。1、水分对微生物的影响水分微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离态的水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，故能有效地吸收代谢过程中产生的热量，使细胞温度不致于骤然升高，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。水分的影响不仅取决于含量的多少，更重要的是其可给性。溶质浓度高低和固体表面对水的亲和力都影响水分对微生物的可给性。环境中水的可给性一般以活水度ａｗ（wateractivity）来表示。它是指在一定温度和压力条件下，溶液蒸汽压（ｐ）与纯水蒸汽压（ｐ０）之比，公式为ａｗ＝ｐ／ｐ０各环境中ａｗ值在0至1之间，纯水的ａｗ=1。水中有其他溶质时，溶质的ａｗ值降低，溶质愈多，ａｗ值越小，土壤中水活度在0.90至1.00之间。每种微生物都有最适ａｗ值，超过或低于最适ａｗ值，都会通过影响渗透压的变化而影响微生物的生长。细菌、放线菌和真菌的孢子耐旱能力强，可在干旱条件下长期存活，当水分适宜时萌发生长。2、温度对微生物的影响温度是影响微生物生长繁殖最重要的因素之一[4]。不同微生物队温度的要求不同，这是由于不同微生物在长期进化过程中形成的队环境的适应机制决定的，表现出微生物分布生态环境的多样性[5]。在一定温度范围内，机体的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利的影响。当达到微生物生长的最适温度时，微生物迅速生长。值得指出的是，最适的生长繁殖温度不一定是微生物代谢的最适温度。3、微生物群落结构的研究方法传统上,土壤微生物群落的分析多依赖于培养技术,即使用培养基最大限度地培养各种微生物群体,由此了解土壤中的可培养微生物群落。但由于只有极小部分土壤微生物是可培养的[6],因而,此方法所获得的土壤微生物多样性的信息是有限的。磷脂脂肪酸(PLFA)分析和核酸分析等多种现代技术,从不同角度来研究微生物多样性[7],这些方法可用于分析包括可培养微生物和不可培养微生物在内的整个微生物群落。其中,Biolog分析被用作表征微生物群落的功能潜力,即被用于估计碳源利用模式等功能多样[8];PLFA分析用于表征土壤中数量上占优势的微生物，PLFA的相对量可显示所指示微生的相对含量,PLFA的总量可被用作指示土壤微生物的生物量[9]。核酸分析方法是目前最重要的土壤微生物多样性研究方法,该方法中最常用的是基于PCR的核DNA(rDNA)分析方法(即rDNA的DGGE/TGGE指纹分析方法),即从土壤微生物中扩增小亚基rRNA基因(165rDNA或185rDNA),扩增产物用变性梯度凝胶电泳(DGGE)或温度梯度凝胶电泳(TGGE)分离,由DGGE或TGGE带谱及进一步对分离的DNA片段的克隆和序列分析,可了解土壤中微生物的种类及群落构。这些现代研究方法的采用使我们能够获取土壤微生物群落的更全面而完整的信息,较完全地了解环境过程和人类活动对土壤微生物多样性的影响[10]。利用磷脂类化合物中的脂肪酸组成来估价土壤微生物群落结构是近几年一种常用微生物定量结构分析方法[11]。PLFA是微生物量的活性部分,能较为准确地反映土壤微生物的相对生物量及脂肪酸图谱,可以对土壤微生物群落进行动态监测,更客观地反映土壤生态系统的健康程度和波动情况,使之为人们所了解和调控。磷脂是构成生物细胞膜的主要成分,约占细胞干重的5%[12],只存在于所有活细胞膜中,一旦生物细胞死亡,其中的磷醋类化合物马上消失,生物中的磷酪类化合物能显示出快速转换率,而且生物可以含有相对固定量以磷酷类化合物形式作为它们的生物量[13]。一些学者曾发现使用直接从土壤中提取的磷醋类化合物的量可准确地表达成土壤微生物的生物量[14]。此外,我们从磷酯类化合物的组成成分中还可以得到土壤微生物群落结构方面更为重要的信息、可见PLFA分析是快速、高效的分析方法,不会像传统方法那样低估了微生物的多样性。4、地膜覆盖对微生物群落结构的影响北方旱作农区冬春季干旱多风，降雨量少且降雨时空分布不均匀，田间蒸发量大，作物水分利用效率低[15]。因此，通过集雨保墒等技术措施提高降水利用率是旱作农业发展的基本技术途[16]。地膜覆盖因其对改善耕层土壤的水热状况具有显著作用，在中国北方干旱半干旱地区被广泛应用[17]。研究表明[18]，地膜覆盖可增加土壤贮水量30%、降低蒸散量50%、减少水分亏缺15%以上。Choi等[19]通过置于土壤表面的热敏电阻记录下来的数据,分析得到,地膜覆膜分别使表层5cm处的土壤温度分别升高了2.8-9.4°C和0.93-7.3°C。地膜覆盖能改变土壤的温度、水分等环境因素,必然导致土壤物理、化学性质和生物学性状的变化[20]。土壤微生物群落是土壤生物区系中最重要的功能组分,不仅土壤微生物本身是土壤养分重要的“源”和“汇”,支撑着土壤肥力,它还对所生存的微坏境十分敏感,能对土壤生态机制变化和环境胁迫做出反应,导致群落结构会发生改变,所以被认为是土壤生态系统变化的预警及敏感指标,指示土壤质量变化。此外,土壤微生物多样性代表着群落结构的稳定性,土壤微生物通过调节有机质的分解动态平衡和营养对植物的可利用性来调节土壤生态系统[21]。研究表明：（1）地膜覆盖对土壤微生物PLFA图谱的影响在玉米的不同生育期表现出不同的结果，说明覆膜后,土壤微生物群落组成发生了改变[22]。地膜覆盖条件下土壤微生物脂肪酸图谱发生变化,一方面是因为覆膜导致微生物种类的变化[23];另一方面,是由于地膜覆盖使微生物生长的环境发生改变,而导致微生物发生的一系列生理反应[24]。PLFA谱图发生变化更多的是源于样品中微生物的组成和生物量的变化。生物体内细胞中磷脂的含量通常可认为相对显著恒定,不过,磷脂含量并非绝对不变,环境压力会影响膜脂[25]。环境压力会导致磷脂双分子层流动性的增加,这会导致形成磷脂非双分子层相,进而影响细胞膜的渗透性[26]。为了消除环境压力带来的双分子层流动性PLFA加大的变化,细胞膜改变自身磷脂脂肪酸的结构而发生适应性改变,是生物体内消除这些影响的机制之一[27]。（2）覆膜后土壤微生物群落组成发生了改变,尽管土壤的施肥处理不同,但覆膜处理使土壤微生物的群落在结构上有一致化的发展趋势。这可能是因为地膜覆盖有提高地温,抗旱保墒,有机质分解加快和养分活化及利用率提高的作用[28],从而改善微生物生长的环境,使微生物种内和种间及微生物与作物之间对养料和水分的竞争较小,从而使各类微生物生长繁殖较好,所以没有明显的优势种群,群落结构较稳定且较相似,有一致化的发展趋势[29]。ALVEYS等通过研究裸地、半覆膜、全覆膜处理氨氧化细菌和氨氧化古菌的影响表明：覆膜处理通过直接影响土壤温度、水分变化,从而间接影响农田生态系统中参与硝化过程的氨氧古菌、氨氧化细菌尤其是氨氧化细菌群落结构组成和多样性发生变化,加速了氮的矿化速率,导致硝态氮急剧增加,但覆膜处理对参与反硝化过程的ｎｉｒＫ基因群落结构组成及多样性没有明显的影响,暗示着合理的覆膜技术应用有利提高土壤肥力,增加农作物产量,而对生态环境没有明显的影响[30]。长期覆膜处理增加了作物产量,但同时改变了土壤的内在属性,对于农田生态系统的可持续性发展是否产生影响却不得而知。土壤微生物是土壤生态系统生命力的表征,是维持土壤质量的重要组成部分,能敏感的对环境变化作出相应的反应,因此被认为是土壤质量最敏感的生物学指标。地膜覆盖栽培土壤微生物数量增多,生物活性加强,采用适当的培肥措施保持土壤养分状况、协调生物间相互关系,对于地膜覆盖栽培技术的长期应用和持续发挥增产作用是十分重要的[31]。参考文献[1]李默隐.地膜覆盖栽培对土壤温度、容重、水分及烟叶产量的效应[J].土壤通报,2009,14(1):27-29.[2]白云清.土壤微生物群落结构的化学估价方法[J].农业环境护,2005,16(6):252-256.[3]汪景宽,张继宏.地膜覆盖对土壤有机质转化的影响[J].土壤通报1998,21(4):189-192.[4]陈丽芳,王莹,汪景宽.2008.长期地膜覆盖与施肥对土壤磷素和玉米吸磷量的影响.土壤通报,37(1):76一79.[5]GEHTONM.J,DAVISJD,SMITHGA,WHITEDC.Determinationofthegram-positivebacterialcontentofsoilsandsedimentsbyanalysisofteichoicacidcomponents[J].MicrobiolMethods,2000,2:165-176.[6]刘顺国,付时丰,王洪禄,于树.2006.长期地膜覆盖对棕壤水分含量和储量动态变化的影响.沈阳农业大学学报,37(5):725一728.[7]史文娇,祝凤春,高中超.2011.施肥与覆膜对棕壤OISen一P剖面分布及动态变化的影响.植物营养与肥料学报,13(2):248一253.[8]汪景宽,刘顺国,李双异.2011.长期地膜覆盖及不同施肥处理对棕壤无机氮和氮素矿化率的影响.水土保持学报,20(6):107一110.[9]WHITEDC,DAVISWM,NICKELSJS,eta1.Determinationofthesedimentarymicrobialbiomassbyextractiblelipidphosphate[J].Oecologia,1992,40:51-62.[10]温晓霞,韩思明旱作小麦地膜覆盖生态效应研究[J]1中国生态农业学报,2003,11(2):93-951.[11]许月蓉不同施肥条件下潮土中微生物量及其活性[J].土壤学报,1995,32(3):349-352.[12]Sikora,L.J.,Enkiri,N.K.,2003.AvailabilityofpoultrylittercompostPtofescuecomparedwithtriplesuperphosphate.SoilSci.168,192–199.[13]Malchair,S.,H.DeBoeck,C.Lemmens,R.Ceulemans,R.Merckx,I.Nijs,andM.CarnoL2010.Diversity-functionrelationshipofammonia-oxidizingbacteriainsoilsamongfunctionalgroupsofgrasslandspeciesunderclimatewarming.AppliedSoilEcology44:15-23.[14]李世清,李东方半干旱农田生态系统地膜覆盖的土壤生态效应[J]1西北农林科技大学学报,2003,31(5):21-291[15]曹正梅,董树亭覆膜栽培玉米的土壤生态效应研究进展[J]山东农业大学学报,1999,30(4):489-4921[16]徐阳春,沈其荣1水旱轮作下免耕和施用有机肥对土壤某些肥