土壤微生物群落结构影响因素及研究方法的现状与展望5[1]

土壤微生物群落结构影响因素及研究方法的现状与展望摘要:土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,在土壤有机物质分解和养分释放、能量转移等中起着重要作用。随着人们对生物群落结构多样性重要性认识的不断深入及研究方法的不断改进,土壤微生物群落结构多样性,尤其是群落结构的研究工作逐渐受到生态学家的重视。本文从土壤微生物群落结构多样性的影响因素以及研究方法等方面阐述了目前国内外土壤微生物群落结构多样性的研究现状,并对其未来研究方向进行了合理展望。关键词:微生物,群落结构,土壤微生物群落ReviewandprospectsonmethodologyandaffectingfactorsofsoilmicrobialcommunitystructureAbstract:Soilmicroorganismsareimportantcomponentsofsoilecosystemandplaycentralrolesinbiogeochemicalcyclingsuchasorganicmatterdecomposition,mineralnutrientrelease,andenergytransformation.Alongwiththeintensivecomprehensionoftheimportanceofmicrobialcommunitystructurediversityandtherapiddevelopmentofmethodology,moreandmorestudieshavefocusedonsoilmicrobialcommunitystructurediversity.Thisreviewintroducesthecurrentdevelopmentofmethodologyandaffectingfactorsofsoilmicrobialcommunitystructurediversity.Wealsodiscussedthedirectionsoffutureresearchonsoilmicrobialcommunitystructurediversity.Keywords:biodiversity,communitystructure;soil；microbialcommunity引言土壤微生物主要指土壤中那些个体微小的生物体,主要包括细菌、放线菌、真菌,还有一些原生动物和藻类等[1]。土壤微生物是影响土壤生态过程的一个重要因素,土壤微生物在土壤形成、生态系统的生物地球化学循环、污染物质的降解和维持地下水质量等方面都具有重要作用[2,3,4]。由于土壤中微生物个体微小,数量多,土壤微生物分离和鉴定困难,土壤环境条件复杂等原因,目前为止大约仅1～10%的土壤微生物被分离和鉴定,这些限制了对土壤微生物在陆地生态系统中重要作用的认识[5,6]。虽然,对土壤微生物的认识有限,但这并没有影响它们在维护整个陆地生态系统稳定中的重要作用。近年来,随着研究的日益深入,对土壤微生物群落结构及其影响因素、土壤微生物结构与生态功能的关系,土壤微生物在维持土壤质量等方面的研究越来越受到土壤学家、生态学家和微生物学家的关注.许多研究已经证实，通过传统的分离方法鉴定的微生物只占环境微生物总数的0.1%~10%[1,2]。传统的土壤微生物研究方法如分离计数法、显微镜法往往会过低估价土壤微生物的群落结构组成，虽然使用电子显微镜或荧光抗体染色法可以对土壤微生物形态多样性进行观察，但是这两种方法并不能描述出土壤微生物的群落结构组成方面的信息，也无法描绘出不同群体的生理差异。随着微生物研究技术的发展尤其是分子生物学技术的发展，土壤微生物学家开发出一系列的研究土壤微生物群落结构的方法。1土壤微生物多样性影响因素1.1土壤生态系统内生物因素对土壤微生物群落结构的影响1.1.1植物多样性对土壤微生物群落结构影响陆地生态系统中植物多样性是影响土壤微生物群落结构的另一个重要因素[26]。植物多样性对土壤微生物群落结构的影响主要是两个方面:一方面是植物为土壤微生物提供营养物质,另一方面植物多样性影响整个生态系统的过程,进而间接的影响土壤微生物的群落结构[27,28]。森林植物物种组成影响土壤微生物数量、群落结构及活性[29]。Bardgett等发现栽种不同草本植物的土壤具有明显不同的土壤微生物磷脂酸图谱(PFLA)[31]。Grayston等利用BIOLOG系统研究发现长有不同草本植物的土壤具有不同的土壤微生物群落[32]。森林植被能影响林地微环境,通过根系分泌物、地上和地下凋落物以及树冠的拦截和淋洗作用改变土壤微生物生长所需能量物质的数量和质量[29,33]。陆地生态系统中植物通过凋落物和地下根系分泌物为土壤中微生物提供营养物质。不同的植物凋落物理化性状不同,凋落物分解过程中释放的有机,无机物也不同,从而对土壤中微生物生长具有选择性刺激作用。另外,不同植物的根系分泌物也有很大差异,很早的研究就发现活的根系能分泌种类繁多的可溶性有机物质,包括糖、氨基酸和有机酸等,这些分泌物质为土壤生物提供C源引起根际微生物的快速生长,一般由活根分泌的可溶性有机物质通常在1～10g/100g根干重[28]。随着研究手段的进步发现根际中的真菌微生物比以前认识要丰富得多[34]。植物多样性对土壤微生物群落结构的影响具有几个特点:(i)植物对土壤微生物特别是根际土壤微生物群落组成有选择性影响(ii)这种选择影响的强度随植物不同而有差异(iii),这种选择性影响具有植物特异性[10]。植物的这种特异性在菌根菌和Frankia菌等与植物具有共生关系的微生物中表现的更加明显。1.1.2土壤微生物间相互作用土壤微生物之间存在复杂的关系,包括共生,互生,捕食等.土壤微生物之间相互作用维持着整个土壤生态系统内土壤微生物群落结构的稳定。在森林生态系统中不同土壤微生物相互作用共同完成对凋落物的分解,推动整个系统的物质循环、能量流动。此外,在土壤中存在着大量的有益菌群,目前研究较多的是根际促生菌(PGPR),它们能维持土壤质量的健康,减少土壤中病源微生物的生长。土壤微生物之间具有一定的拮抗作用。土壤中细菌产生的挥发性物质能影响其它土壤微生物的生长,直接影响了土壤微生物的群落结构。细菌的挥发物质影响真菌的生长和酶的活性,这种作用受细菌种类、年龄、环境因素的影响,并且真菌对不同细菌的产物具有特异性[16]。土壤微生物之间更多的是半共生关系,即“一种生态依赖关系,一种生物体改变周围的环境,为其后来的另一种生物体的生长创造条件”[23]。在植物凋落物分解过程中不同土壤微生物相互协作共同完成对凋落物的分解,分解过程中微生物具有一个演变的过程.通常,真菌在凋落物分解过程初期占主要地位,分解凋落物中新鲜物质,而细菌在分解后期占主要地位完成凋落物的最终分解和矿化过程[24]。1.1.3土壤动物多样性对土壤微生物活性与群落结构影响土壤动物对土壤微生物群落结构的影响主要包括以下3个方面:(1)土壤动物的粉碎、搅拌、混合作用。土壤动物通过这些作用使进入土壤的凋落物等物质充分的与土壤混合,增加了土壤微生物与这些物质的接触机会。土壤动物消化植物残体后通过粪便排出体外,改变了这些物质的化学成分,大小等理化性状,导致了土壤微环境的改变。改变了土壤中细菌,真菌等不同微生物类群的竞争能力,引起土壤微生物群落结构的改变[25]。(2)土壤动物的选择性捕食作用。土壤中的原生动物主要以细菌和酵母菌为食物,最适合的食物来源是一些假单胞菌(Pseudomonadaceae)和肠细菌(Enterobacteriaeae),酵母菌中的可勒克氏酵母(Kloeckera)、红酵母(Rhodotorula)而有些细菌,放线菌,真菌能产生对原生动物有毒害作用的细胞外物质[25]。(3)土壤动物的传播作用。土壤动物对土壤微生物体或孢子的散布有作用,特别是在地表下,在干燥条件下,这时风和水对孢子的散步作用相对小。土壤动物的传播作用主要通过体表,口腔,粪便等途径。1.2土壤理化性状对土壤微生物群落结构的影响1.2.1土壤物理性状ⅰ壤颗粒大小不同的颗粒等级的土壤其中的土壤微生物差异很大,粘粒部分土壤微生物多样性较高,细菌数量多,主要通过减少土壤微生物被土壤动物捕食的机会,增加微生物获得营养的机会,增加土壤环境的多样性如降低氧气浓度为厌氧菌提供生长条件等,相反在较大颗粒的土壤中真菌数量相对增加。土壤微生物群落结构由于土壤颗粒大小的不同而差异很大[13]。ⅱ水分水分保持能力极大影响了孔隙中的氧气条件,进而影响了相关土壤中微生物的活性[14]。Cook等(1970)就注意到土壤中细菌在高的水势(waterpotential)情况下活性高,而真菌,放线菌在相对低的水势情况下活性较高[15]。在森林立地条件中土壤湿度是土壤微生物和土壤动物的一个重要控制因素[16]。Joshua(1999)等研究了桦树凋落物分解过程中湿度对微生物活性和群落结构的影响,发现长时间干燥导致微生物呼吸和生物量降低,微生物群落结构变化,特别是潮湿和干燥的时间长度对土壤微生物影响很大[17]。ⅲ土壤温度通常每种微生物都有自己的最适生长温度。微生物生长速率随温度升高而加快,当达到最适生长温度后再升高温度,反而使微生物生长变慢,而且不同的微生物种类生长的最适温度不同,所以,由于土壤温度的差别,土壤微生物群落结构组成也不同,并且随温度变化而改变。土壤温度变化导致土壤中微生物群落结构发生改变,原因可能是某些微生物群落成员在较高的温度时有能力代谢那些在较低温度时不能被利用的基质[18]。ⅳ不同的气候条件下,由不同母岩发育而来的土壤其类型不同,决定了土壤颗粒组成、湿度、温度、pH值等理化性状的不同。因此,不同土壤类型的中的微生物区系多样性及组成的差别很大。MartinaS.Girvan等(2003)用BIOLOG方法,rDNA-DGGE和16SrRNA多种方法对不同管理条件下土壤微生物群落结构及变化规律进行研究,发现所用研究的样地明显分为两组,其土壤微生物群落结构的显著差异是由于土壤类型决定的,而不同有机物管理对土壤微生物群落结构影响不大。这是因为不同类型的土壤其物理、化学性状差异较大,而对于同一类型土壤来说由于土壤具有一定的缓冲能力所以土地不同经营措施对土壤微生物群落结构的短期影响较小。但是长期作用下,管理措施对土壤微生物影响可能更大,这些有待进一步研究[20]。1.2.2土壤化学性状土壤中的微生物除了受土壤物理性状的影响外,更主要的是受到土壤中微生物可利用营养物质的影响。土壤中营养物质主要来源于地上植被的凋落物,植物根系分泌物,根的残体,此外还有土壤动物死后残体等,它们可以为微生物提供基本的碳源、氮源等物质[21]。ⅰ壤C、N元素土壤微生物群落结构受土壤C元素影响比较大,随着土壤中可利用C含量的减少土壤微生物数量降低,微生物群落结构改变[4]。Griffiths等(1999)研究发现向土壤中施加含C量高的物质能提高土壤微生物群落中真菌和戈兰氏阴性细菌的比例,降低放线菌和戈兰氏阳性菌的比例[22]。NoathF.等(2003)研究土壤微生物在土壤不同层面的分布得到同样的结论,虽土壤层面加深土壤中微生物数量减少,其中真菌和戈兰氏阴性细菌的比例减少,而放线菌和戈兰氏阳性菌的比例增加[4]。土壤的N元素是土壤微生物生长的又一个限制因素,土壤中的N元素被微生物吸收利用后,在体内用于合成具有重要生理作用的蛋白质、核苷酸等生物大分子.因此,土壤中N元素不足将严重限制土壤微生物的正常生长和活性。土壤微生物对土壤N源利用能力也有差别,通常N源易利用大小顺序为,铵态氮硝态氮有机氮。此外,不同土壤微生物利用N源能力也不同,这就使得土壤中N源的多少和种类将影响到土壤微生物的群落结构。土壤中可被土壤微生物利用营养的碳氮(C/N)比是表征土壤微生物生长是受C限制或是N限制的重要指标,影响到土壤微生物的群落结构。当C/N比等于或大于30:1时土壤微生物生长受到N源限制,当C/N比等于或小于20:1时土壤微生