农业土壤生物指标探究范文

1土壤生物指标

Larson和Pierce(1991)提出了一个用于评价世界土壤质量的最小数据集(minimumdataset,简称MDS)〔3〕。Doran和Safley(1997)又依据MDS开发了一些用于监测土壤质量和健康的指标〔4〕。Doran和Parkin(1994)认为,基本的土壤质量或健康生物指标应当包括微生物生物量C和N(microbialbiomassCandN),潜在矿化N(potentiallymineralizebleN),土壤呼吸(soilrespiration),生物C/有机全C比(biomass-C/totalorganic-Cratio)等〔1〕。Pankhurst(1997)指出,生物指标应当满足下列标准:(1)反映土壤生态过程的结构或功能,同时适用于所有土壤类型和地貌特点;(2)对土壤健康变化做出反应;(3)有可行的度量测定方法;(4)能够进行合理的解释〔4〕。通过分析一些科学家提出的不同生物指标的内在和现实潜力,Pankhurst认为,微生物生物量(microbialbiomass,简称MB)、土壤呼吸(soilrespiration)及其衍生指数(derivedindices)、一些土壤微生物功能组、微生物群体结构及功能多样性、土壤酶、微动物区系的功能多样性和植物生长等均可看作目前具有潜力的生物指标。

1.1微生物生物量

微生物生物量是指土壤有机质中的有生命成分,但不包括大型动物和植物根系〔4〕。土壤有机质(有机全C)是土壤的最重要组成部分之一,微生物生物量与土壤有机质含量有紧密的联系。由于MB的周转较快,其可以在土壤全C变化被有效测定之前反映土壤的变化〔2〕,所以MB可被用作土壤生物指标。微生物生物量通常被用于估计土壤的生物状态,但其对评价土壤状态也是至关重要的,因为其能够反映土壤中的能量循环和养分的转移与运输〔1〕。微生物生物量C在区别长期与短期土壤处理方面也非常敏感,其同时还不受无机N的直接影响,这是微生物生物量用作土壤生物指标的一大优势,尤其对农业系统〔1〕。

1.2微生物活性

1.2.1微生物商(microbialquotient)

微生物商是指微生物C与土壤有机全C的比值(微生物C/土壤有机全C)。在标示土壤过程或土壤健康变化时,微生物商要比微生物C或全C单独应用有效的多,因为商是一个比值,它能够避免在使用绝对量或对不同有机质含量的土壤进行比较时出现的一些问题。

1.2.2微生物呼吸(microbialrespiration)

微生物呼吸(CO2-Ch-1)在监测土壤有机物分解方面也是一个较好的参数,但其容易受基质、水分、温度等因素影响,易变性较强。在呼吸方面的较强易变性意味着该项指标的单一度量很难对土壤的持续性作出解释〔5〕。

1.2.3呼吸商(respirationquotient,qCO2)

呼吸商(qCO2)又称代谢商,是基础呼吸(CO2-Ch-1)与微生物生物量C间的比率,即每单位微生物生物量C的具体呼吸率。它将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机地联系起来。呼吸商(qCO2)是反映环境因素、管理措施变化〔6〕和重金属污染〔5〕对微生物活性影响的一个敏感指标。土壤水分匮乏、除草剂应用、土壤酸化等将使qCO2增大〔7〕,在此意义上可将其看做一个微生物胁迫指标。Wardle和Ghani(1995)认为qCO2可对微生物效率进行度量,但在对结果的解释上应引起注意,因为很难对土壤扰动(soilperturbation)和土壤胁迫加以区分。

1.3土壤微生物群落

土壤微生物群落包括细菌、真菌和藻类,它们在土壤的功能和过程中起重要作用。微生物群落结构和功能的变化与土壤有机质的含量和构成紧密相关〔8〕。所以,土壤微生物群落有潜力成为土壤生物指标。然而,由于微生物群落在群体和过程方面的复杂性,尤其在群体大小和功能方面的复杂性,使其只能用在特殊土壤的特殊评价上,尤其在土壤的扰动方面〔1,3〕。随着FAME(fattyacidmethylesters)技术的发展,微生物群体的大小和构成将可能被用于标示土壤生物区系的变化〔9〕。Haack等(1994)成功地运用FAME方法识别出不同种植历史的土壤〔10〕。

1.4土壤微生物生物多样性

微生物生物多样性是指生命体在遗传、种类和生态系统层次上的变化〔4〕。它代表着微生物群落的稳定性,也反映土壤生态机制和土壤胁迫对群落的影响。在微生物群落研究中,微生物的均衡性、丰富性和多样性是常用的指数〔11,12〕。由于土壤是一个有生命的动态系统,微生物种类的多样性与群落或营养层次(trophiclevel)的均衡性可对系统的功能进行较好的估计。生物多样性还可被定义成生命的丰富性(richnessoflife),通常以土壤生物区系的变化和生物化学过程间的相互关系来反映。随着人们资源环境保护意识的逐步加强和因人类影响而造成的多样性损失的客观存在,目前学术界对多样性问题倍加关注。多样性问题研究范围较宽,也可以在不同层次上进行,如全球层次、群落层次、种群层次等。生物多样性问题往往与全球问题和人类活动联系起来。生物多样性作为指标在监测土壤变化和对胁迫的反应方面是重要的,同时对进一步了解土壤微生物群落状态也十分有用。但我们在使用这一指标时也要加以注意,因为多样性包括二部分内容:种类数量和它们的分布。

1.5土壤动物区系

土壤动物区系由一系列生物组成,如原生动物、线虫、弹尾目动物、蚯蚓等。它们与许多土壤生态过程有关,也影响着植物生长、土壤水分分配及土壤的环境质量。Gupta和Yeates(1997)认为,土壤动物的丰富性、多样性和活性可被用作土壤生物指标〔4〕。在标示因管理而引起的土壤健康变化方面,土壤食物网的结构和功能也很有用〔1〕。Doube和Shmidt(1997)认为,土壤动物中只有蚯蚓在自然土壤和农业土壤中分布较广,因而有可能成为土壤的生物指标。但许多研究显示,蚯蚓的多少与作物产量间几乎无任何相关关系,决定作物产量的因素并不完全是决定蚯蚓多少的因素。因此,蚯蚓用作土壤生物指标的潜力不大〔4〕。

1.6土壤酶

土壤是一个包含许多复杂生物化学反应的生态实体。土壤酶通过催化无数土壤反应而在土壤中发挥重要作用。土壤酶的专一性和综合性特点使其有可能成为一个有潜力的土壤生物指标〔4〕。一些土壤酶活性还与土壤许多特性有关〔4,13〕。土壤酶对因环境或管理因素引起的变化较敏感〔1〕,并具有较好的时效性特点。Perucci(1992)发现,城市垃圾施入土壤后,30d内8种酶的活性即明显增强,而且这种活性在以后的3年内均可观察到〔14〕。土壤酶已被成功地用于区分许多土壤管理措施,尤其在确定污染或严重扰动对土壤健康的影响方面十分有用〔4〕。土壤磷酸酶活性即是一个标示土壤管理系统效果和土壤有机质含量的重要指标〔15〕。Naseby等(1997)指出了在研究因微生物接种和其它土壤处理引起的土壤扰动方面土壤生化特性的重要性〔16〕,因为它们标示的是生态系统的功能而不仅仅是对扰动的度量。

2生物指标与土壤可持续利用

2.1生物指标与土壤污染

许多生物指标可以用来标示土壤污染,特别是因重金属引起的污染。土壤微生物生物量已被成功地用来评价重金属污染对土壤健康的影响。据Brookes和McGrath(1984)报道,30年前用污染淤泥处理的土壤,同无污染处理的土壤相比,尽管有机质含量和土壤呼吸较高,但微生物生物量仍较低〔17〕,而土壤的呼吸商(qCO2)明显较高,表明土壤中存在着明显的胁迫现象,是一个不健康的土壤〔12〕。重金属或微量元素污染还抑制土壤酶的活性。微量元素Hg、Ag、Cr和Cd等对L-谷酰胺酶(L-glutaminase)、纤维素酶(cellulase)和β-葡糖苷酶(β-glucosidase)均产生较强的抑制作用〔18〕。酶的敏感性对各微量元素的抑制反应有所不同,在已经测试的酶中,Arysulphatase可能是最敏感的土壤酶,其活性可被用作土壤重金属污染的敏感指标〔4〕。Yeates等(1994)发现,在新西兰被污染的牧场土壤中,重金属抑制了4种酶的活性〔19〕。Wardle等(1995)认为,除草剂对原生动物和线虫类有不良影响,长期施用除草剂将减少农业土壤中线虫的丰富性和多样性〔20〕。Paoletti等(1997)发现,农药对原生动物和线虫的影响比除草剂大的多〔21〕。Pankhurst等(1997)认为,在对植物生长无不良影响的前提下,低水平的重金属污染对线虫的影响不大,但如果污染对植物产生不良影响,则将影响不同功能组线虫的相对丰富性〔4〕。

2.2生物指标与种植制度

关于种植制度对微生物及其活动的影响研究相对较多。Anderson等(1990)发现,qCO2是土壤微生物对种植制度反应的敏感指标。轮作土壤的qCO2较低,表明其是一个稳定和成熟的系统〔22〕。Sparling等(1992)认为,如果土壤被过度使用,土壤微生物C库将会以较快的速率下降,最终造成土壤有机质和微生物商的降低。Workneh等(1994)发现,同常规农作的土壤相比,有机农业的土壤有较高的微生物活性〔24〕。Grego等(1996)在地中海地区的研究表明,微生物生物量与土壤有机质含量正相关,且栽培土壤的微生物生物量要高于休闲土壤〔6〕。他们还发现,根际土壤的qCO2和磷酸酶活性均较高,这说明根际有一个活跃的环境,养分周转迅速。相反,远离根际的土壤更有利于有机质的积累。同连作系统相比,土壤酶的活性对轮作系统的积极效果更敏感〔1〕,而且对免耕处理也有所反应。Gupta等(1988)将耕作了69年的土壤与邻近的牧场土壤进行比较后发现,栽培使磷酸酶的活性降低了49%〔25〕。耕作类型也可以弥补栽培措施对土壤生态的影响,因为同传统耕作相比,保护性耕作措施能减少对土壤的扰动,表土(<10cm)中的酶活性明显较高〔26,27〕。Verstraete等(1977)的研究结果表明,土壤酶(磷酸酶、转化酵素酶、β-葡糖苷酶和脲酶)的活性与作物产量显著正相关〔28〕。长期的作物轮作,由于同连作比有较好的植物多样性,通常对土壤酶活性也有较好的影响,尤其在轮作中包含豆科作物的条件下更是如此〔29〕。

2.3生物指标与土壤管理

长期的定位试验表明,土壤酶在识别不同土壤管理措施的效果时较敏感〔1〕。同不施肥的对照相比,向土壤中施用有机物质,如动物粪肥、绿肥或作物残体、城市垃圾等,许多土壤酶的活性均增强。Dick等(1988)研究发现,长期施用农肥的土壤表现较高的酶活性、微生物生物量和微生物活性〔30〕。但他们也发现,增加氨态氮肥的施用比率会降低那些与N循环有关酶的活性,如酰胺酶和脲酶。能够使田间绿肥或作物残体水平提高的农作制度,许多酶的活性均明显增强〔15,30〕。土壤紧实度增加也能降低酶活性。Dick等(1988)的研究表明,紧实土壤中的磷酸酶活性明显较低,酶活性与土壤容重间呈负相关关系〔31〕。Gupta等(1994)发现,土壤中施入不同的作物残体后,也会引起qCO2的变化,但变化趋势似乎并不完全一致〔8〕。保持作物残茬对土壤肥力和细菌繁殖较为有利,同时也会增加土壤原生动物的丰富性和多样性〔32〕。少耕或免耕倾向于促进那些以食真菌为主的原生动物和线虫等土壤原生虫系的发展,而常规耕作通常有利于那些生命周期短、代谢率高和扩散迅速的生物〔4,33〕。Grego等(1998)研究了在施用农肥或硝态氮肥后玉米生长的整个周期内土壤微生物群体和活性的变化,他们发现,最大的微生物生物量和高代谢商出现在施肥后,并在花期迅速下降,认为可能是由于微生物群体和植物间养分竞争的结果。花期后,仅在施用农肥的土壤中出现最高的微生物生物量〔7〕。Yeates等发现,在反映线虫的营养结构和趋势方面,一些生态指数如种类丰富度(speciesrichness)和香浓指数(Shannon-Weaverindex)非常实用。

3讨论

土壤生物与几乎所有的土壤过程有关。与通常是土壤变化产物的土壤有机质或养分不同,土壤生物及其活动能被用作土壤变化的早期预警生物指标,尤其是因污染、土壤管理措施、种植制度、土地利用等引起的农业土壤变化。一些土壤生物学特性,如微生物生物量、呼吸商(qCO2)、土壤酶活性、原生动物与线虫的丰富性和多样性等,已显现出其成为生物指标的潜力。需要说明的是,这些有潜力的生物指标目前均不足以直接推广应用,相反,各生物指标均需要对其在不同农业生态系统中的有效性加以验证。生物指标的验证则需要进行大量的进一步研究工作,尤其在土壤微生物学方面。正如多数科学家所指出的那样,目前应用土壤生物指标的主要障碍是:缺乏对一般土壤过程与土壤生物群落结构或特性间关系的了解,对具体指标好与坏的基线与阈值也并不十分清楚。事实上,我们目前在此领域中正在做的工作和已经做的工作均是对这些关系、基线或阈值的探索。当通过试验获得各种条件下的足够信息后,必将能够弄清它们之间的关系,也能够确定各指标好与坏的基线与阈值。在生物指标的确认方面,最重要的步骤应当是确认决定土壤健康的主要生物成分、功能和过程,然后,从这些成分、功能和过程中进一步选择生物指标。对土壤中的每一过程均进行监测几乎不可能,我们只能将精力集中到那些决定大多数土壤功能的主要过程上。通过这种方法,一定会取得较大进展。然而,在多数相关的国际杂志中,很少见到中国国内学者在该领域的工作,至少是在可持续发展背景下的研究工作。跟紧世界步伐是我国科学家面临的重要任务。