土壤质量的生物学指标研究进展

兰州交通大学化学与生物工程学院土壤质量的概念1.1840年李比希提出的“矿质营养学说”;2.定义：综合表征土壤维持生产力、环境净化能力以及保障动植物健康而不发生土壤退化及其它生态环境问题的能力。土壤质量的三个主要组成部分:1.土壤肥力质量：主要强调土壤的可持续生产能力,以高产为主要目标；2.土壤环境质量：主要强调土壤中容纳和清除有害有毒物质的能力,以及对整个生态环境的效应。3.土壤健康质量：强调满足前两个条件下,土壤对人类健康和生活质量的影响,包括有毒和有益物质两大类。土壤质量的指标概念：表示从生产潜力和环境管理的角度监测和评价土壤的那些性能、功能和条件。目前，对土壤质量的评价是通过土壤的物理化学性质、生物学性质及环境条件等综合性指标来得出的。理化指标生物学指标物理指标化学指标酶活性指标微生物指标动物指标土壤质量指标其他环境指标比表面、孔隙度和容重气体状况水热状况全N，全P，全K，有机质PH值与物理性质与化学性质与土壤微生物与土壤动物微生物生物量微生物群落组成和多样性微生物活性速效N，速效P，速效K一.土壤质量的酶活性指标土壤酶是一种生物催化剂,参与土壤中的各种生物化学过程。它不仅能反映土壤生物活性的高低,而且能表征土壤养分转化的快慢,在一定程度上能反映土壤肥力状况，可作为衡量土壤质量高低的较好指标。Beck于1984年提出了一个酶数量指标(enzymaenumber，EAN）：EAN=0.2(DH+CA/10+AP/40+PR/2+AM/20)DH-脱氢酶活性(TPFg/(10kg•27h))，CA-过氧化氢酶活性(O2%/3min)，AP-碱性磷酸酶活性(PNPmg/(10kg•5h))，PR-蛋白酶活性（氨基氮g/(10kg•16h))，AM-淀粉酶活性(淀粉分解%/(l0g•16h))。利用了这五种酶活性来进行计算,可用作评价不同土壤在酶活性质量上的相对高低。土壤酶活性与土壤质量的很多理化指标以及土壤生物数量和生物多样性相互联系，并受到土壤有机-无机复合体保护，具有一定的稳定性。(一)土壤酶活性与土壤物理性质土壤酶活性是一系列土壤理化性状的具体反映。因为土壤物理状况直接或间接地影响着包括植物和微生物在内的一切土壤生物的活性,从而影响着这些生物在土壤中分泌酶的情况、酶在土壤中的稳定程度和酶活性的显现水平等,而土壤生物活性对改变土壤物理性质也同样具有极为重要的地位。因此,改善土壤的物理状况是有效调节土壤酶活性的一项有力措施。1.土壤的比表面、孔隙度和容重对土壤酶活性的影响非常显著。土壤作为一个分散体系，有许多特性取决于土壤的总比表面。由于绝大多数的酶在土壤中处于被吸附的状态，所以土壤固相的表面特性(比表面)决定了进入土壤的酶活性。而土壤容重和孔隙度是通过影响土壤的水、肥、气、热等状况来间接地影响土壤酶活性的。2.土壤气体状况对土壤酶活性有着重要的影响。土壤CO2和O2与土壤微生物的活动状态有关，因此土壤空气对土壤酶活性有直接影响。Overrein指出除半纤维素酶外，蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、脲酶、磷酸酶和硫酸酶同土壤氧的摄取量均呈正相关。3.土壤水热状况对土壤酶活性也会产生直接或间接的影响。一般而言，过高和过低的土壤温度会导致土壤酶活性的钝化和失活，土壤水分过多和过低均不利于土壤微生物和动物的生长和繁衍，减少了土壤酶的来源，造成土壤酶活性降低，因此，在不良水热状况下，土壤酶活性较低。(二)土壤酶活性与土壤化学性质一般来说，土壤脲酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、转化酶和酸性磷酸酶与土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、有效钾等含量有非常好的相关关系。1.脲酶能分解有机物质，促其水解生成NH3和CO2。许景伟等在不同类型的黑松混交林的研究认为脲酶与有机质、碱解氮、有效钾密切相关。但在菜园土壤上，於忠祥等发现脲酶活性仅与水解氮显著相关，与有机质呈显著负相关。2.多酚氧化酶参与土壤有机组分中芳香族化合物的转化。相关分析表明，多酚氧化酶活性与全氮含量呈极显著负相关，与有机质和有效磷呈显著负相关，与水解氮、有效钾和pH值未达到显著水平，但相关性较好，表明多酚氧化酶活性愈大，土壤养分含量愈低。这与关松荫对贵州黄壤的研究结果一致。3.过氧化氢酶可促进土壤中多种化合物的氧化，防止过氧化氢积累对生物体造成毒害。李双霖等研究发现过氧化氢酶活性与有机质、全氮、全钾呈极显著正相关。土壤过氧化氢酶活性与土壤肥力诸因素均密切相关，是影响土壤肥力的一个关键酶。4.转化酶是至今研究最多的土壤酶，反映土壤呼吸强度，酶促作用产物—葡萄糖是植物、微生物的营养源。土壤的肥力水平和生物学活性强度在转化酶上反映得最明显。孙翠玲等在杨树混交林地的研究表明转化酶活性与土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷、有效钾均呈显著相关。5.磷酸酶活性能够表示有机磷转化状况，酶促作用产物—有效磷是植物磷素营养源之一。杨树混交林地的研究表明，酸性磷酸酶活性与土壤中全氮、碱解氮、全钾、有效钾及速效磷的含量呈正相关，与全磷呈负相关。可见，土壤酸性磷酸酶受有机质含量的影响较大，其活性与土壤氮、磷、钾元素的有效性密切相关。(三)土壤酶活性与土壤微生物随着酶和微生物新测试技术的发展，人们清楚认识到土壤酶与土壤生物之间存在某些密切关系。有研究表明，在测得的土壤酶活性值中，活体微生物是直接影响酶活性的主要因子。根际微生物通过吸收土壤中的大量养分，形成近根缓效供应的养分库，而且根际微生物固持N导致根际土壤蛋白酶和酰胺酶活性高于非根际土壤；土壤酶活性的提高，进一步提高了根际微生物量的转化速度，使根际微生物N的富集更加明显。细菌、真菌和放线菌等是土壤生态系统中土壤酶活性的重要来源。植物群落演替过程中，土壤酶活性与土壤微生物数量、微生物多样性、微生物生物量及土壤动物数量等呈显著相关。一般而言，特定的土壤酶活性与细菌、真菌和放线菌类群密切相关，如菌根菌等真菌可提高土壤酶活性。木霉属和腐霉属增加了砂壤土上的酸性和碱性磷酸酶、脲酶、β-葡聚糖酶、纤维素分解酶和几丁质酶活性。放线菌能释放降解腐殖质和木质素的过氧化物酶、酯酶和氧化酶等。Taylor等采用活细胞计数、显微镜直接观察、DNA技术和菌落计数等研究手段对比研究了粉砂粘壤土和壤土不同层次的土壤微生物数量与土壤酶活性的关系，结果表明，土壤微生物数量，尤其是土壤细菌丰度与土壤芳基硫酸酯酶、磷酸单酯酶、β-葡聚糖酶、脱氢酶和FDA水解酶等酶活性呈显著正相关。(四)土壤酶与土壤动物土壤酶也可能来源于土壤动物，但这一方面的证据较少。近年来人们加强了土壤动物，如蚯蚓、白蚁、蜗牛、线虫等与土壤酶活性相关性的研究，以揭示动物在生态系统物质循环中的作用及机制。目前，有关蚯蚓粪便能增强土壤酶活性的报道也相当多。Kiss研究了蚯蚓对于转化酶活性的影响，并指出，在草地和耕作土壤的表层，蚯蚓的排泄物对提高转化酶的活性有着重要的作用。Kozlov的研究结果支持了Kiss的结论，即土壤动物确实在某种程度上对土壤酶含量的变化有作用。但土壤动物在土壤酶的来源方面，其作用往往是有限的。因此有关土壤动物对土壤酶的贡献及其与土壤酶的相互关系将是今后研究的重要内容之一。三.土壤微生物指标微生物在土壤功能及土壤主要生态过程中直接或间接地起重要作用，包括对动植物残体的分解、养分的储存转化及异源生物的降解等，是土壤生理、生化反应的参与者和推动者；土壤微生物本身含有一定数量的N、P、K等营养元素，可看作土壤有效养分的一个活性库，是植物生长可利用养分的重要来源。在农田系统中，土壤有机质发生变化之前，微生物群落对土壤环境变化已经产生可靠、直接的响应。因此，土壤微生物被认为是表征土壤质量变化最敏感最有潜力的指标。（一）土壤微生物生物量土壤微生物量是表征土壤肥力特征和土壤生态系统中物质和能量流动的一个重要参数，常被用于评价土壤的生物学性质，它能代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机物质转化所对应微生物的数量，反映了土壤同化和矿化能力。微生物量库的任何变化都会影响土壤养分的循环和有效性，其分布与其相应土层的土壤养分含量相关。土壤微生物量包括：（1）微生物C（MBC）：是土壤有机C的灵敏指标因子，反映微生物群落的相对大小。（2）微生物N（MBN）：是土壤氮素转化的重要环节，也是土壤有效氮活性库的主要部分。（3）微生物P（MBP）：其周转速率快，且能释放为活性态P而被视为植物有效P供应的重要来源。其含量变异也很大，与MBC、MBN之间有很好的相关性，并与土壤全P、有机P及有效P含量呈明显正相关。（4）微生物S（MBS）：土壤微生物量作为土壤肥力的一个指标只反映部分功能和专性微生物及其总量上的差异，而无法反映土壤微生物在组成和区系上的变化，因此土壤生态系统物流、能流或者微生物群落库的组成需进一步详细调查，结合土壤微生物多样性研究，才能更深入地反映土壤质量的生物活性。（二）微生物群落组成和多样性土壤微生物群落的组成与活性在很大程度上决定了生物地球化学循环、土壤有机质的周转及土壤肥力和质量，能早在土壤有机质变化被测定之前对土壤的变化提供可靠的直接证据。土壤微生物3大类群的数量与其发挥的生态功能密切相关，其数量的减少反映出土壤质量的下降。所有的微生物种群数量一般随着土壤深度的增加而降低，其中真菌数量的降低幅度较细菌高。土壤酸碱度对微生物数量影响显著，真菌数量在酸性土壤中多，细菌和放线菌数量在中性或碱性土壤中较多。土壤有机质的组成和有效性是影响微生物生物量以及群落组成的关键因素。细菌数量很大程度上与土壤有机质含量成正相关。土壤微生物多样性包括物种多样性、遗传（基因）多样性、生态多样性以及功能多样性，它可以作为生物指标反映土壤中生物类群的多变性和土壤的生物活性，是健康土壤的重要指标，对微生物多样性的评价能进一步揭示土壤质量在微生物数量和功能上的差异。目前其研究方法正在向分子尺度发展，分子生物学PCR-DGGE技术能够让研究者在分子水平上通过比较不同土壤中各种微生物的16SDNA基因信息来了解微生物的多样性。（三）微生物活性土壤微生物活性反映了土壤中整个微生物群落或其中的一些特殊种群的状态。目前衡量土壤微生物活性的指标有：微生物商（Cmic/Corg）、微生物呼吸强度和微生物的代谢商(qCO2)。微生物商（Cmic/Corg）是土壤有机质变化的一个指示指标，反映了微生物生物量与土壤有机质含量紧密的联系，它在应用的时候能够避免使用绝对值或者不同有机质含量的土壤进行比较时出现问题。微生物商的大小还能反映降雨量与蒸发量的比例变化所代表的土壤C的损失或积累。因此，微生物商作为土壤环境质量的生物学指标比微生物生物量更可靠。微生物呼吸强度可看作是衡量土壤微生物总的活性指标，它反映了整个微生物群落（包括休眠状态和活性状态）的活性。休眠状态的微生物在微生物量中占较高比重，而对呼吸起很大作用的活性微生物仅是比例很小的部分。微生物的代谢商(qCO2)为某一时刻CO2释放速率与MBC的比，反映了单位生物量的微生物在单位时间里的呼吸作用强度，它可以同时表示微生物量的大小和活性，并将微生物生物量和微生物的活性以及功能联系起来。它反映了微生物群落的维持能大小和对基质的利用效率等微生物群落生理上的特征，揭示了土壤的发生过程、生态演变以及对环境胁迫的反应。四.土壤动物指标土壤动物是土壤中一个重要的生物类群，种类和数量都很可观，包括土壤原生动物和土壤后生动物。国际上关于土壤动物区系及多样性等作为土壤质量指标的研究已成为土壤生态学中的一个前沿领域，这使得土壤动物的研究提升到了新的高度，内容涉及土壤动物与微生物相互作用对土壤理化性质的作用。对土壤过程有显著影响的主要以无脊椎动物为主。它们依靠传播接种微生物等方式来加速营养物质的分解和还原，促进土壤大孔隙的形成，并促进团粒结构的形成和稳定。土壤动物的数量与土壤含水量在一定范围内呈正相关，且在不同季节，由于受气候条件、土壤环境、人为因素的影响，土壤动物的垂直分布有明显变化。土壤动物数量变化与长期施肥导致土壤性质的