水丝蚓对稻田土壤微生物的影响

水丝蚓对稻田土壤微生物的影响
孙刚;房岩;毕雨涵
【摘要】通过野外采样和室内控制试验,初步研究了底栖动物水丝蚓对稻田土壤微生物(区系、生物量、生理群)的影响.结果表明,水丝蚓组稻田土壤细菌、放线菌、真菌数量均高于对照组,分别达到极显著、显著、极显著.水丝蚓组稻田土壤微生物生物量碳(BC)和生物量氮(BN)高于对照组,均达到极显著差异水平.水丝蚓促进了稻田土壤硫化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌、氨化细菌和固氮菌的增殖,抑制了反硫化细菌和反硝化细菌的生长和活性,有利于增加土壤硫、氮、磷等生源要素的有效性,提高稻田土壤养分的利用效率.利用底栖动物的生物扰动效应,根据农业系统中不同营养级生物的生态特性,可开发多级物质循环、多层次利用、多物种共生的现代农业技术,为可持续农业提供支持.
【期刊名称】《广东农业科学》
【年(卷),期】2014(041)022
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】底栖动物;土壤微生物;稻田;生物扰动;绿色农业
【作者】孙刚;房岩;毕雨涵
【作者单位】长春师范大学生命科学学院,吉林长春130032;长春师范大学生命科学学院,吉林长春130032;长春师范大学生命科学学院,吉林长春130032
【正文语种】中文
【中图分类】S154.3
微生物是土壤生态系统中最活跃的成分，在动植物残体分解、物质转化与循环、污染物降解中发挥主导作用，同时也是植物可利用养分的天然储备库，承载着巨大的生化效力。

土壤微生物对环境因子变化敏感，直接决定土壤肥力状况[1]。

农业土壤中的微生物组成和数量受到耕作制度、土壤类型、作物种类、作物生育期及施肥技术等多种因素的影响[2]。

作为生态系统质量中不可缺少的指标，土壤微生物对可持续农业具有至关重要的作用[3]。

传统的水稻生产依赖化肥、农药、人工的大量投入以维持高产，这种单一种植方式的资源利用率低下，系统的缓冲性、稳定性、抗干扰能力和恢复能力薄弱，导致了一系列严重的问题，如土壤质量恶化、肥力下降、污染残留、稻米品质变劣、植株抗药性提高等[4]。

生态农业、绿色农业、有机农业、立体农业已成为世界各国的研究热点，联合国也积极倡导稻田复合种养，把水稻种植与水生动物养殖组合在稻田生态系统中[5]。

但目前对稻田复合种养的很多机理性问题还缺乏系统研究。

水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）属环节动物门（Annelida）、寡毛纲（Oligochaeta）、近孔寡毛目（Oligochaeta plesiopora）、颤蚓科（Tubificidae）、水丝蚓属（Limnodrilus），营底栖生活，生命力和环境适应性强。

我们近年来的野外试验表明，水丝蚓适于稻田养殖。

通过室内模拟控制试验，初步研究了水丝蚓对稻田土壤微生物（区系、生物量、生理群）的影响，进一步揭示底栖动物对稻田生态系统的扰动效应，同时为稻田立体开发的推广和评价提供试验和理论依据。

1 材料与方法
野外原位采样和室内模拟试验的时间为2012年6～8月。

土壤样品取自长春市双阳区奢岭镇徐家村的稻田。

该地属温带大陆性季风气候，极端最低和最高气温分别为-34.6℃和36.9℃，年均降雨量和蒸发量分别为622.3 mm 和1 354.6 mm。

选
取质地较为均一的稻田，原位测定田面水的溶解氧DO（7.25 mg/L）、氧化还原电位 Eh（480.58 mV）和 pH 值（7.41）等，采集水样 50 L，用塑料桶带回实验室。

同时，用10 根PVC 管（长度40 cm，直径16 cm）蛇形采集稻田土壤样品（长度15 cm），向PVC 管中充入氮气2 h，密封、避光静置12 h 后，将逼至表面的底栖动物清除，恢复正常充氧环境24 h。

试验分为水丝蚓扰动组和对照组，每组包括5个PVC 培养管，每个扰动组PVC 管中投入30 g 鲜质量的水丝蚓。

每天使用原位水样补充至刻度，以保持上覆水体积不变。

试验期间保持水温在20～24℃。

经过30 d 培养，采集 PVC 管中的表层（0～5 cm）土样。

在 28～30℃下，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基培养30 h，放线菌用淀粉琼脂培养基即高氏1 号培养基培养4 d，真菌用马丁（Martin）-孟加拉红链霉素琼脂培养基培养4 d。

用于测定土壤微生物量碳、氮、磷的土样过孔径2 mm 筛，混匀并风干至大约40%土壤饱和持水量，在标准条件下（25℃，100%空气湿度的容器内）预培养10 d。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4 提取测定[6-7]。

称取4 份预培养土样，每一份土壤25 g（烘干基），其中2份直接用 0.5 mol/L K2SO4 提取（300 r/min 振荡 30 min）。

另2 份在真空干燥器内用氯仿熏蒸24 h 后，除去氯仿立即提取。

取10 mL 提取液与10 mL 2%六偏磷酸钠混合后，用Multi N/C 3100 总有机碳/总氮分析仪测定。

以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳、氮的差值分别乘以转换系数 KC（2.22）或 KN （2.22）计算土壤微生物量碳、氮[8]。

土壤微生物量磷采用熏蒸培养-NaHCO3 提取法测定。

称取4 份预培养土样，每份土壤4.0 g（烘干基），2 份直接用 0.5 mol/L NaHCO3（pH 8.5）提取，另外2 份熏蒸提取。

采用比色法测定提取液中的磷量。

同时采用外加无机磷测定磷的提取回收率。

以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的磷的差值并校正提取回收率后，乘以转换系数 KP（2.5）得到土壤微生物量磷[9]。

采用稀释平板计数法测定固氮菌和好气性纤维素分解菌的数量，采用稀释液
体培养计数法（MPN 法）测定其余微生物生理群的数量[10]。

硫化细菌培养基的组成为Na2S2O3·5H2O 10 g、K2HPO4 3 g、NH4Cl 2 g、MgCl2 0.5 g、CaCl2·6H2O 0.2 g、蒸馏水 1 000 mL、pH 6.0～6.2，培养20 d；反硫化细菌采用斯塔克培养基，培养20 d。

硝化细菌采用铵盐培养液（只测亚硝酸细菌），培
养13 d；反硝化细菌培养基的组成为葡萄糖10 g、KNO3 1.0 g、K2HPO4 0.5 g、CaCl2·6H2O 0.5 g、蒸馏水 1 000 mL、pH 7.1 ～7.2，培养13d。

好气性纤维素分解菌采用Hutchison 噬纤维细菌培养基，培养8 d；厌气性纤维素分解菌采用
嫌气性纤维素细菌培养液，培养25 d。

氨化细菌采用蛋白胨氨化培养基，培养7 d。

自生固氮菌采用阿须贝无氮琼脂培养基，培养5 d。

不同处理之间的差异显著
性分析采用SPSS 中的ANOVA。

2 结果与分析
2.1 土壤微生物区系组成
在水丝蚓组和对照组的稻田土壤中，都是以细菌的数量最多，其次是放线菌和真菌。

两种处理的稻田土壤之间，三大类微生物类群的数量均明显不同，细菌和真菌数量达到极显著差异水平，放线菌数量达到显著差异水平（表1）。

真菌和放线菌大
多为好气性，受土壤通气条件影响较大。

水丝蚓营底栖生活，其生命活动扰动了稻田土壤，在某种程度上起到中耕的作用，使土壤通气状况改善，增加了水丝蚓组稻田土壤中的放线菌和真菌数量。

表1 水丝蚓扰动组和对照组稻田土壤微生物的区系组成和生物量注：表中同列数
据后小写英文字母不同者表示处理间差异显著，大写英文字母不同者表示差异极显著，表2同。

土壤微生物数量(104/g 干土) 土壤微生物生物量(mg/kg)生物量磷22.5a 24.6a处理对照组扰动组细菌13.7A 19.3B真菌2.2A 3.8B放线菌4.6a
5.7b生物量碳785.4A 975.8B生物量氮94.9A 12
6.1B
2.2 土壤微生物生物量碳、氮、磷
土壤微生物生物量包括微生物碳、微生物氮、微生物磷、微生物硫等，与土壤发育阶段、有机质含量及理化性质密切相关，反映了土壤的分解矿化能力和生化活性，对于提高土壤自然肥力和维护土壤生态平衡具有重要意义，已成为国际土壤学和植物营养学的研究热点[1]。

水丝蚓组稻田土壤微生物生物量碳（BC）和生物量氮（BN）高于对照组，均达到极显著差异水平。

水丝蚓组稻田土壤微生物生物量磷（BP）也高于对照组，但未达到显著差异水平（表1）。

2.3 土壤微生物生理群
微生物生理群是指具有同一种功能的微生物类群，如氮素生理群在土壤氮素的固定和转化中起到重要作用。

微生物生理群包括硫化细菌、反硫化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、纤维素分解菌、固氮细菌、氨化细菌等。

2.3.1 硫化细菌和反硫化细菌硫化细菌营化能自养，在将单质硫或还原态硫化物（如H2S）氧化为H2SO4的过程中，获取能量，维持生命活动，常见的如脱氮硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等。

水丝蚓组稻田土壤的硫化细菌数量（92 500个/g，干土）高于对照组（61 300个/g，干土），差异极显著。

反硫化细菌是厌氧状态下将SO42-还原成单质硫或H2S 的细菌类群，典型种类如脱硫弧菌。

水丝蚓组稻田土壤的反硫化细菌数量（8 950个/g，干土）低于对照组（16 320个/g，干土），差异极显著（表2）。

硫化细菌与反硫化细菌的活动同时进行，处于动态平衡之中，不断引起土壤硫素价态的交替变化，对硫素肥力和作物生长产生正反两方面的影响。

硫化作用不仅为植物提供了可利用态的硫素营养，而且产生的H2SO4 还具有溶磷的作用，可提高土壤有效态磷含量。

而反硫化作用的产物H2S 则会毒害植物的根系，造成秧苗烂秧。

水丝蚓在沉积物-水界面以及沉积物内部不断地进行身体运动（颤动、钻行、游泳、掘穴、避敌、建所等），增加了沉积物中的过水通道，进而使沉积环境中的溶解氧水平升高，加强了硫化细菌的反应强度同时抑制了反硫化细菌的反应强度，有利于稻田土壤中硫素肥力的提高。

表2 水丝蚓扰动组和对照组稻田土壤中某些微生物生理群的数量处理对照组扰动
组硫化细菌(个/g，干土)61300A 92500B反硫化细菌(个/g，干土)16320A
8950B硝化细菌(个/g，干土)4380A 6210B反硝化细菌(个/g，干土)10850a 8630b纤维素分解菌好气性纤维素分解菌(CFU/g，干土)1670A 3820B厌气性纤
维素分解菌(个/g，干土)117a 135a氨化细菌(个/g，干土)3600000A 6100000B
固氮菌(CFU/g，干土)5790a 8560b
2.3.2 硝化细菌和反硝化细菌硝化细菌是一类专性好气性细菌，能在有氧的水中或土壤中生长，是生态系统氮素循环过程的重要贡献者。

虽然形态不同（球状、杆状、螺旋状等），但功能相同，包括硝酸菌属（Nitrobacter）和亚硝酸菌属（Nitrosomonas），前者将亚硝酸氧化为硝酸，后者将氨氧化为亚硝酸。

这两个菌属通常共生，避免了亚硝酸盐在环境中的累积，增加了植物可利用态的氮素养分。

水丝蚓组稻田土壤的硝化细菌数量（6 210个/g 干土）高于对照组（4 380个/g，干土），差异达到极显著水平。

水丝蚓组稻田土壤的反硝化细菌数量（8 630个/g 干土）低于对照组（10 850个/g，干土），差异显著（表2）。

反硝化细菌多为异养、兼性厌氧细菌，如斯氏杆菌、反硝化杆菌等，它们在通气状况不良、氧气匮乏的环境中，借助HNO3 中的氧，将葡萄糖氧化为CO2 和H2O，获取生命活动需要的能量。

底栖动物水丝蚓的活动改善了稻田土壤的氧化还原条件，降低了还原性物质浓度，有利于硝化细菌的增殖，抑制反硝化细菌的生长。

2.3.3 纤维素分解菌纤维素分解菌分为好气性和厌气性两大类，它们参与土壤中有机物质的分解过程，其数量变化影响土壤有机质形态、肥力程度等。

两组供试土壤的好气性纤维素分解菌数量均高于厌气性纤维素分解菌数量。

水丝蚓组稻田土壤的好气性纤维素分解菌数量（3 820 CFU/g，干土）高于对照组（1 670 CFU/g，干土），差异极显著；厌气性纤维素分解菌数量（135个/g，干土）也高于对照组（117个/g，干土），但差异并不显著（表2）。

2.3.4 氨化细菌氨化细菌参与土壤中的氨化作用，即有机氮化合物转化为氨的过程，属于矿化作用的一种。

土壤中的氨化作用强度与有机氮化合物含量、理化环境条件等有关。

通气状况良好时，在好气性微生物的作用下，产物主要为氨；通气不良时，在厌气性微生物的作用下，产物主要为氨和胺。

水丝蚓组稻田土壤的氨化细菌数量（6 100 000个/g，干土）高于对照组（3 600 000个/g，干土），差异达到极
显著水平（表2）。

土壤有机质要经过分解和矿化才能被植物利用，氨化细菌的
反应强度体现了土壤的供氮能力。

另外，氨化作用的产物氨也是影响硝化/反硝化
作用强度的重要因素。

2.3.5 固氮细菌固氮菌数量是土壤熟化和肥力状况的一个衡量指标。

水丝蚓扰动组稻田土壤的固氮菌数量（8 560 CFU/g 干土）高于对照组稻田土壤（5 790
CFU/g，干土），差异显著（表2）。

水丝蚓扰动使稻田土壤pH 值升高，有利
于固氮菌的繁殖和生长。

固氮菌具有非常高的呼吸强度，呼吸商（RQ）甚至超过
2 000。

同时，固氮菌还起到一定程度的溶磷作用。

土壤微生物生理群的组成和数量受到多种环境条件的制约，其活性直接决定着土壤肥力、养分有效性、植物可利用的营养水平，是土壤学、栽培学、农学、林学中重要的研究课题。

底栖动物是水生生态系统底栖亚系统的最重要组成成分，其机械运动和生理代谢活动可以引起沉积物的各种复杂变化。

生物扰动是河口、近岸、湿地和浅海等水体中的关键生态过程[11-14]。

水丝蚓通过生物淋洗作用和生物搬运作用，产生大量的迁移痕迹和过水通道，增加稻田土壤的孔隙率和含水率，使底质环境中溶解氧含量增加，提高土壤中溶解态物质的交换通量和颗粒态物质的混合，为土壤微生物生理群提供了更大的反应面积[15-16]。

另外，水丝蚓还通过摄食、排泄、消化、分泌等影响水体中生源要素的运移和转化。

3 结论
试验稻田的土壤微生物区系组成中，细菌数量最多，其次是放线菌和真菌。

水丝蚓
组土壤细菌、放线菌、真菌数量均高于对照组，分别达到极显著、显著、极显著。

水丝蚓组稻田土壤微生物生物量碳（BC）和生物量氮（BN）高于对照组，均达到极显著差异水平；水丝蚓组稻田土壤微生物生物量碳（BP）也高于对照组，但差
异不显著。

在水丝蚓扰动组稻田土壤中，硫化细菌数量（92 500个/g，干土）高于对照组（61 300个/g，干土），差异极显著；反硫化细菌数量（8 950个/g，
干土）低于对照组（16 320个/g，干土），差异极显著；硝化细菌数量（6 210
个/g，干土）高于对照组（4 380个/g，干土），差异极显著；反硝化细菌数量（8 630个/g，干土）低于对照组（10 850个/g，干土），差异显著；好气性纤
维素分解菌数量（3 820 CFU/g，干土）高于对照组（1 670 CFU/g，干土），差异极显著；厌气性纤维素分解菌数量（135个/g，干土）高于对照组（117个/g，干土），差异不显著；氨化细菌数量（6 100 000个/g 干土）高于对照组（3 600 000个/g，干土），差异极显著；固氮菌数量（8 560 CFU/g，干土）高于对照
组（5 790 CFU /g，干土），差异显著。

底栖动物水丝蚓对稻田土壤微生物具有重要的影响，改善了土壤微生物的生存条件，提高了稻田土壤肥力和生化活性，有助于提高养分利用效率。

水丝蚓促进了硫化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌、氨化细菌和固氮菌的增殖，抑制了反硫化细菌和反硝化细菌的生长和活性，有利于增加土壤硫、氮、磷等生源要素的有效性，提高稻田土壤养分的利用效率。

底栖动物对稻田土壤微生物的影响和作用机制，还需继续深入研究。

根据农业系统中不同营养级生物的生态特性，可进一步开发多级物质循环、多层次利用、多物种共生的现代农业技术，为农业综合生产结构的优化、农业科技含量的提高提供支持，更加高效地利用生物资源、自然资源、人类技能和生产投入，实现农业生态系统的良性循环。

参考文献：
[1]巨天珍,任海峰,孟凡涛,等.土壤微生物生物量的研究进展[J].广东农业科
学,2011,38(16):45-47.
[2]洪艳华,管力权,郑桂萍.不同施肥及秸秆还田方式对稻田土壤微生物区系的影响[J].安徽农学通报,2012,18(21):124-126.
[3]宋长青,吴金水,陆雅海,等.中国土壤微生物学研究[J].地球科学进
展,2013,28(10):1087-1105.
[4]孙刚,房岩,张胜.水田立体开发与绿色稻米生产[J].农业与技术,2006,26(6):48-50.
[5]孙刚,房岩,韩德复.复合种养水田生态系统的综合效益[J].农业与技
术,2006,26(5):51-53.
[6]Brookes P C,Landman A,Pruden G,et al.Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen,a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil[J].Soil Biol Biochem,1985,17: 837-842.
[7]Wu J,Brookes P C,Jenkinson D S.Formation and destruction of microbial biomass during the decomposition of glucose and ryegrass in soil[J].Soil Biol Biochem,1993,25(10):1435-1441.
[8]彭佩钦,吴金水,黄道友,等.洞庭湖区不同利用方式对土壤微生物生物量碳氮磷的影响[J].生态学报,2006,26(7):2261-2267.
[9]Brookes P C,Powlson D S,Jenkinson D S.Measurement of microbial biomass phosphorus in soil [J].Soil Biol Biochem,1982,14:319-329.
[10]李阜棣,喻子牛,何绍江.农业微生物学实验技术[M].北京:中国农业出版社,1996.
[11]孙刚,房岩.底栖动物的生物扰动效应[M].北京:科学出版社,2013.
[12]李大鹏,黄勇.风浪与底栖生物扰动对底泥内源磷释放的协同作用[J].中国给水排水,2013,29(4):17-20.
[13]孙刚,房岩,韩国军,等.稻-鱼复合生态系统对水田土壤理化性状的影响[J].中国土壤与肥料,2009,(4):21-24.
[14]孙刚,房岩,安永辉,等.泥鳅对水田上覆水中氮素动态的生态扰动效应[J].生态与农村环境学报,2009,25(2):39-43.
[15]房岩,孙刚,刘倩.水丝蚓对稻田上覆水氮素浓度的影响[J].广东农业科
学,2011,38(18):42-43.
[16]孙刚,房岩,韩德复,等.水丝蚓对水田沉积物颗粒垂直分布的生物扰动作用[J].长春师范学院学报(自然科学版),2008,27(4):59-61.。