土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望

生物多样性2007,15(3):306–311doi:10.1360/biodiv.070069BiodiversityScience·综述·土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望周桔1,2*雷霆21(中国科学院资源环境科学与技术局,北京100864)2(中国科学院研究生院,北京100049)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、能量转移等生物地化循环中起着重要作用。随着人们对生物多样性重要性认识的不断深入及研究方法的不断改进,土壤微生物多样性,尤其是功能多样性的研究工作逐渐受到生态学家的重视。本文从土壤微生物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多样性的研究现状,并对其未来研究方向进行了展望。关键词:生物多样性,微生物,土壤Reviewandprospectsonmethodologyandaffectingfactorsofsoilmi-crobialdiversityJuZhou1,2*,TingLei21BureauofSciencesandTechnologyforResources&Environment,ChineseAcademyofSciences,Beijing1008642GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049Abstract:Soilmicroorganismsareimportantcomponentsofsoilecosystemandplaycentralrolesinbio­geochemicalcyclingsuchasorganicmatterdecomposition,mineralnutrientrelease,andenergytransforma­tion.Alongwiththeintensivecomprehensionoftheimportanceofbiodiversityandtherapiddevelopmentofmethodology,moreandmorestudieshavefocusedonsoilmicrobialdiversity.Thisreviewintroducesthecurrentdevelopmentofmethodologyandaffectingfactorsofsoilmicrobialdiversity.Wealsodiscussedthedirectionsoffutureresearchonsoilmicrobialdiversity.Keywords:biodiversity,microorganisms,soil土壤生态系统中的各种生物相互作用,形成复近年来由于人口的增加、自然资源的过度开杂的土壤食物网,正是这些土壤生物的活动,使土发、环境污染的加剧以及外来物种的入侵,土壤生壤生态系统具有各种各样的生态服务功能。由于土物多样性受到了强烈的干扰,许多土壤生物类群壤中微生物数量庞大,作用复杂,在土壤生物的研的多样性降低甚至消失。因而,生物多样性在维持究中占据重要地位。土壤微生物包括原核微生物如土壤质量、维护陆地生态系统的稳定和健康方面的细菌、蓝细菌、放线菌及超显微结构微生物,以及重要作用日益引起人们的关注。由于土壤微生物的真核生物如真菌、藻类(蓝藻除外)、地衣等复杂性、土壤本身的多变性和研究方法不完善等原(Jenkinson&Ladd,1981)。它们是土壤有机质(C)和因的限制,以往人们对土壤微生物多样性的研究土壤养分(N、P等)转化和循环的主要推动力,并参与动、植物相比远远落后。随着现代生物学尤其是与腐殖质形成等生化过程,在土壤生态系统中起着多聚酶链反应(PCR)、核酸测序等分子生物学技术非常重要的作用。的迅速发展,人们对土壤微生物多样性有了更深入——————————————————收稿日期:2007-03-09;接受日期:2007-05-08基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90211017)*通讯作者Authorforcorrespondence.E-mail:[e-mail]307第3期周桔和雷霆:土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望的了解。同时,也有越来越多的学者加入到土壤微生物多样性的研究和保护中来。1土壤微生物多样性影响因素影响土壤微生物群落的结构组成和多样性,尤其是其功能多样性的因素有很多种,可大体分成自然因素和人为因素两大类。自然因素包括植被、土壤类型、温度、水分以及pH值等；人为因素包括农药、施肥以及土壤耕作方式等人类对土壤的管理方式。下面就植被、土壤类型、温度和水分、土壤管理方式几种有代表性的土壤微生物多样性影响因素分别加以阐述。1.1植被植被通过影响土壤有机碳和氮的水平、土壤含水量、温度、通气性及pH值等来影响土壤微生物多样性。植被是土壤微生物赖以生存的有机营养物和能量的重要来源,影响着土壤微生物定居的物理环境,如植物凋落物的类型和总量、水分从土壤表面的损失率等。植被的存在有利于增加土壤微生物多样性和微生物生物量；反之,植被的破坏可能改变微生物组成并降低微生物多样性。Zak等(2003)采用PLFA方法研究了植物种类多样性与土壤微生物的关系,结果表明PLFA的含量与植物种类数量相关性显著,随着植物多样性的增加,土壤中细菌和放线菌的PLFAs数量降低,而真菌的PLFAs却增加。Johnson等(2003)的研究表明,在北美草原,可能由于土壤中的菌根真菌对不同植物的影响不同,使得植物多样性发生变化。根际(rhizosphere)指包围并受植物根系影响的土壤区域。研究表明,植物多样性与根际土壤(rhizosphericsoil)微生物的关系十分密切(Kowalchuketal.,2002)。植物根系及其分泌物为土壤微生物提供生长基质和有利的生长环境,而植物本身则从微生物对根系的分泌物和其他土壤有机和无机物质的转化所带来的养分释放中获益。因此,研究植物根际土壤微生物多样性变化是研究植物与土壤微生物之间关系的重要问题之一。应用Biolog微平板法(Craystonetal.,1998)、16SrRNA分析(Kaiseretal.,2001)、PCR-DGGE(Smallaetal.,2001)等方法开展的研究都证明不同植被类型、同一植物不同基因型间(DiGiovannietal.,1999;Arabetal.,2001)、同一基因型不同发育阶段(Picardetal.,2000;Marschneretal.,2001)的根际土壤微生物多样性均有不同。上述研究结果表明植物根际土壤微生物多样性不仅随着植物类型改变,还随着植物的生长发育过程改变,具有非常强的时空特征。不同植物物种根系分泌物(rootexduates)的化学组成及根系周转(rootturnover)速率通常存在差异,因而外来植物取代土著植物后会改变根系对土壤的营养物质输入,从而影响土壤微生物的结构与功能(Kourtevetal.,2002)；外来植物与土著植物凋落物数量和质量的变化也会影响土壤微生物多样性(Saggaretal.,1999)。此外,外来植物会改变其入侵地土壤的水分状况及土壤结构等物理特性,从而间接地影响土壤微生物的多样性(Kourtevetal.,2002)。土壤微生物与植物间的相互作用推动着生态系统功能的变化,如植物群落多样性、生产力等(Klironomos,2002)。因此,植物与土壤微生物群落的关系是复杂的综合作用的结果(Orwinetal.,2006)。1.2土壤类型近年来大量实验都证明了土壤类型是土壤微生物群落结构和密度的主要影响因素(Chiarinietal.,1998；Gelsominoetal.,1999;DaSilvaetal.,2003)。Yang等(2000)研究了土壤有机碳与土壤微生物功能多样性的关系,结果表明,两者之间存在明显的相关性,维持土壤有机碳含量对保持微生物多样性很重要。Sessitsch等(2001)用T-RFLP技术研究了长期不同施肥条件下的土壤颗粒中微生物多样性,结果表明土壤颗粒越细小,有机质含量越高,土壤颗粒中的微生物群落结构越复杂,多样性越高。Staddon等(1998)对加拿大西部不同气候带的土壤微生物多样性和结构进行了研究,结果表明土壤微生物功能多样性与土壤pH值呈正相关,但随纬度增加而降低。O’Donnell等(2001)研究也发现,土壤pH值是影响土壤微生物多样性的重要因子。1.3温度和水分温度和水分对土壤微生物多样性的影响存在交互性,具有协同效应(周才平和欧阳华,2001),因此可以用季节的概念来说明不同温度和水分对微生物多样性和活性的影响(Papatheodorouetal.,2004)。例如,Liu等(2000)用Biolog分析方法证明,在美国新墨西哥州北部Chihuahuan沙漠牧场中微生物308生物多样性BiodiversityScience第15卷的功能多样性在夏季最高,春季最低；在夏季干旱试验区比在夏季和春季的对照中更低；Lipson和Schmidt(2004)对高山冻土土壤细菌群落的研究结果表明,细菌群落结构组成具有季节性变化规律；Schadt等(2003)对苔原冻土土壤中真菌群落结构的研究表明,从冬季到夏季,子囊菌(Ascomycota)所占比例下降,担子菌(Basidiomycota)和结合菌(Zygomycota)比例上升。Nemergut等(2005)对高山和北极地区土壤微生物的研究综述中指出,夏季温度高,植物代谢旺盛,向土壤中释放一些根际分泌物而刺激细菌繁殖；到了秋季植物停止生长,微生物以能利用植物凋落物的真菌为主；再到了冬季,适寒性微生物则大量繁殖。1.4管理方式土壤的管理方式包括农药的应用、施肥、耕作方式等,这些人为的影响因素通过改变土壤的理化性质而影响微生物多样性。农药包括除草剂、杀真菌剂和杀虫剂等,不同农药对土壤微生物的影响不同,可能对土壤微生物产生不同程度的抑制作用,也可能使土壤微生物多样性和生物量减少,还可能使土壤微生物群落结构和功能发生改变(钟文辉和蔡祖聪,2004a)。Fantroussi等(1999)研究了经敌草隆(diuron)、利谷隆(linuron)和绿麦隆(chlorotoluron)3种脲除草剂处理10年后的土壤中微生物群落的变化,结果表明,使用除草剂后,土壤微生物多样性降低,其群落结构和代谢能力受到明显影响；Sigler和Turco(2002)用PCR-DGGE法对杀菌剂百菌清在草坪、森林和农业土壤上的应用研究结果表明,百菌清使土壤细菌和真菌的群落结构都发生改变；杀虫剂也可能影响土壤微生物多样性和活性,如Yang等(2000)对杀虫剂triadimefon的研究表明,杀虫剂在DNA水平上影响土壤微生物群落多样性,且受杀虫剂污染的土壤的有机碳含量和微生物生物量中碳含量都较低。施肥对土壤微生物多样性及活性的影响非常复杂,可能与肥料的种类、施用方式(施用量、长期施用或短期施用)、土壤类型和利用方式等因素有关。Marschner等(2001)的实验结果表明,长期施用有机肥使得G+/G–和细菌/真菌的比例提高,细菌和真核微生物群落多样性受土壤有机碳和C/N比的影响；而Sun等(2004)的实验结果则是：自然的和经过有机肥处理的土壤微生物群落多样性相似,但是与化肥处理的差异明显,石灰处理对多样性的影响较小。Sarathchandra等(2001)认为无机氮肥和磷肥对土壤微生物多样性无明显影响。土地耕作方式包括传统耕作、免耕、连作、轮作等,不同的耕作方式会对土壤微生物多样性造成不同的影响。有较多报道认为,免耕土壤中的微生物多样性和生物量均高于传统耕作后的土壤,其原因是传统耕作会导致土壤团聚体的分裂和表层土壤中有机质的消耗,而已发现的大团聚体中的微生物生物量比微团聚体中的高