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ａ

ｗ

（water activity）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（ｐ

０

）之比，公式为

ａ

ｗ＝ｐ／ｐ

０

各环境中ａ

ｗ值在0至1之间，纯水的ａ

ｗ

=1。水中有其他溶质时，溶质的

ａ

ｗ值降低，溶质愈多，ａ

ｗ

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ａ

ｗ值，超过或低于最适ａ

ｗ

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