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1土壤生物指標

Larson和Pierce(1991)提出了一個用于評價世界土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集(minimumdataset,簡稱MDS)〔3〕。Doran和Safley(1997)又依據(jù)MDS開發(fā)了一些用于監(jiān)測土壤質(zhì)量和健康的指標〔4〕。Doran和Parkin(1994)認為,基本的土壤質(zhì)量或健康生物指標應(yīng)當包括微生物生物量C和N(microbialbiomassCandN),潛在礦化N(potentiallymineralizebleN),土壤呼吸(soilrespiration),生物C/有機全C比(biomass-C/totalorganic-Cratio)等〔1〕。Pankhurst(1997)指出,生物指標應(yīng)當滿足下列標準:(1)反映土壤生態(tài)過程的結(jié)構(gòu)或功能,同時適用于所有土壤類型和地貌特點;(2)對土壤健康變化做出反應(yīng);(3)有可行的度量測定方法;(4)能夠進行合理的解釋〔4〕。通過分析一些科學家提出的不同生物指標的內(nèi)在和現(xiàn)實潛力,Pankhurst認為,微生物生物量(microbialbiomass,簡稱MB)、土壤呼吸(soilrespiration)及其衍生指數(shù)(derivedindices)、一些土壤微生物功能組、微生物群體結(jié)構(gòu)及功能多樣性、土壤酶、微動物區(qū)系的功能多樣性和植物生長等均可看作目前具有潛力的生物指標。

1.1微生物生物量

微生物生物量是指土壤有機質(zhì)中的有生命成分,但不包括大型動物和植物根系〔4〕。土壤有機質(zhì)(有機全C)是土壤的最重要組成部分之一,微生物生物量與土壤有機質(zhì)含量有緊密的聯(lián)系。由于MB的周轉(zhuǎn)較快,其可以在土壤全C變化被有效測定之前反映土壤的變化〔2〕,所以MB可被用作土壤生物指標。微生物生物量通常被用于估計土壤的生物狀態(tài),但其對評價土壤狀態(tài)也是至關(guān)重要的,因為其能夠反映土壤中的能量循環(huán)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移與運輸〔1〕。微生物生物量C在區(qū)別長期與短期土壤處理方面也非常敏感,其同時還不受無機N的直接影響,這是微生物生物量用作土壤生物指標的一大優(yōu)勢,尤其對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)〔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與土壤有機全C的比值(微生物C/土壤有機全C)。在標示土壤過程或土壤健康變化時,微生物商要比微生物C或全C單獨應(yīng)用有效的多,因為商是一個比值,它能夠避免在使用絕對量或?qū)Σ煌袡C質(zhì)含量的土壤進行比較時出現(xiàn)的一些問題。

1.2.2微生物呼吸(microbialrespiration)

微生物呼吸(CO2-Ch-1)在監(jiān)測土壤有機物分解方面也是一個較好的參數(shù),但其容易受基質(zhì)、水分、溫度等因素影響,易變性較強。在呼吸方面的較強易變性意味著該項指標的單一度量很難對土壤的持續(xù)性作出解釋〔5〕。

1.2.3呼吸商(respirationquotient,qCO2)

呼吸商(qCO2)又稱代謝商,是基礎(chǔ)呼吸(CO2-Ch-1)與微生物生物量C間的比率,即每單位微生物生物量C的具體呼吸率。它將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機地聯(lián)系起來。呼吸商(qCO2)是反映環(huán)境因素、管理措施變化〔6〕和重金屬污染〔5〕對微生物活性影響的一個敏感指標。土壤水分匱乏、除草劑應(yīng)用、土壤酸化等將使qCO2增大〔7〕,在此意義上可將其看做一個微生物脅迫指標。Wardle和Ghani(1995)認為qCO2可對微生物效率進行度量,但在對結(jié)果的解釋上應(yīng)引起注意,因為很難對土壤擾動(soilperturbation)和土壤脅迫加以區(qū)分。

1.3土壤微生物群落

土壤微生物群落包括細菌、真菌和藻類,它們在土壤的功能和過程中起重要作用。微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化與土壤有機質(zhì)的含量和構(gòu)成緊密相關(guān)〔8〕。所以,土壤微生物群落有潛力成為土壤生物指標。然而,由于微生物群落在群體和過程方面的復雜性,尤其在群體大小和功能方面的復雜性,使其只能用在特殊土壤的特殊評價上,尤其在土壤的擾動方面〔1,3〕。隨著FAME(fattyacidmethylesters)技術(shù)的發(fā)展,微生物群體的大小和構(gòu)成將可能被用于標示土壤生物區(qū)系的變化〔9〕。Haack等(1994)成功地運用FAME方法識別出不同種植歷史的土壤〔10〕。

1.4土壤微生物生物多樣性

微生物生物多樣性是指生命體在遺傳、種類和生態(tài)系統(tǒng)層次上的變化〔4〕。它代表著微生物群落的穩(wěn)定性,也反映土壤生態(tài)機制和土壤脅迫對群落的影響。在微生物群落研究中,微生物的均衡性、豐富性和多樣性是常用的指數(shù)〔11,12〕。由于土壤是一個有生命的動態(tài)系統(tǒng),微生物種類的多樣性與群落或營養(yǎng)層次(trophiclevel)的均衡性可對系統(tǒng)的功能進行較好的估計。生物多樣性還可被定義成生命的豐富性(richnessoflife),通常以土壤生物區(qū)系的變化和生物化學過程間的相互關(guān)系來反映。隨著人們資源環(huán)境保護意識的逐步加強和因人類影響而造成的多樣性損失的客觀存在,目前學術(shù)界對多樣性問題倍加關(guān)注。多樣性問題研究范圍較寬,也可以在不同層次上進行,如全球?qū)哟巍⑷郝鋵哟巍⒎N群層次等。生物多樣性問題往往與全球問題和人類活動聯(lián)系起來。生物多樣性作為指標在監(jiān)測土壤變化和對脅迫的反應(yīng)方面是重要的,同時對進一步了解土壤微生物群落狀態(tài)也十分有用。但我們在使用這一指標時也要加以注意,因為多樣性包括二部分內(nèi)容:種類數(shù)量和它們的分布。

1.5土壤動物區(qū)系

土壤動物區(qū)系由一系列生物組成,如原生動物、線蟲、彈尾目動物、蚯蚓等。它們與許多土壤生態(tài)過程有關(guān),也影響著植物生長、土壤水分分配及土壤的環(huán)境質(zhì)量。Gupta和Yeates(1997)認為,土壤動物的豐富性、多樣性和活性可被用作土壤生物指標〔4〕。在標示因管理而引起的土壤健康變化方面,土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能也很有用〔1〕。Doube和Shmidt(1997)認為,土壤動物中只有蚯蚓在自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤中分布較廣,因而有可能成為土壤的生物指標。但許多研究顯示,蚯蚓的多少與作物產(chǎn)量間幾乎無任何相關(guān)關(guān)系,決定作物產(chǎn)量的因素并不完全是決定蚯蚓多少的因素。因此,蚯蚓用作土壤生物指標的潛力不大〔4〕。

1.6土壤酶

土壤是一個包含許多復雜生物化學反應(yīng)的生態(tài)實體。土壤酶通過催化無數(shù)土壤反應(yīng)而在土壤中發(fā)揮重要作用。土壤酶的專一性和綜合性特點使其有可能成為一個有潛力的土壤生物指標〔4〕。一些土壤酶活性還與土壤許多特性有關(guān)〔4,13〕。土壤酶對因環(huán)境或管理因素引起的變化較敏感〔1〕,并具有較好的時效性特點。Perucci(1992)發(fā)現(xiàn),城市垃圾施入土壤后,30d內(nèi)8種酶的活性即明顯增強,而且這種活性在以后的3年內(nèi)均可觀察到〔14〕。土壤酶已被成功地用于區(qū)分許多土壤管理措施,尤其在確定污染或嚴重擾動對土壤健康的影響方面十分有用〔4〕。土壤磷酸酶活性即是一個標示土壤管理系統(tǒng)效果和土壤有機質(zhì)含量的重要指標〔15〕。Naseby等(1997)指出了在研究因微生物接種和其它土壤處理引起的土壤擾動方面土壤生化特性的重要性〔16〕,因為它們標示的是生態(tài)系統(tǒng)的功能而不僅僅是對擾動的度量。

2生物指標與土壤可持續(xù)利用

2.1生物指標與土壤污染

許多生物指標可以用來標示土壤污染,特別是因重金屬引起的污染。土壤微生物生物量已被成功地用來評價重金屬污染對土壤健康的影響。據(jù)Brookes和McGrath(1984)報道,30年前用污染淤泥處理的土壤,同無污染處理的土壤相比,盡管有機質(zhì)含量和土壤呼吸較高,但微生物生物量仍較低〔17〕,而土壤的呼吸商(qCO2)明顯較高,表明土壤中存在著明顯的脅迫現(xiàn)象,是一個不健康的土壤〔12〕。重金屬或微量元素污染還抑制土壤酶的活性。微量元素Hg、Ag、Cr和Cd等對L-谷酰胺酶(L-glutaminase)、纖維素酶(cellulase)和β-葡糖苷酶(β-glucosidase)均產(chǎn)生較強的抑制作用〔18〕。酶的敏感性對各微量元素的抑制反應(yīng)有所不同,在已經(jīng)測試的酶中,Arysulphatase可能是最敏感的土壤酶,其活性可被用作土壤重金屬污染的敏感指標〔4〕。Yeates等(1994)發(fā)現(xiàn),在新西蘭被污染的牧場土壤中,重金屬抑制了4種酶的活性〔19〕。Wardle等(1995)認為,除草劑對原生動物和線蟲類有不良影響,長期施用除草劑將減少農(nóng)業(yè)土壤中線蟲的豐富性和多樣性〔20〕。Paoletti等(1997)發(fā)現(xiàn),農(nóng)藥對原生動物和線蟲的影響比除草劑大的多〔21〕。Pankhurst等(1997)認為,在對植物生長無不良影響的前提下,低水平的重金屬污染對線蟲的影響不大,但如果污染對植物產(chǎn)生不良影響,則將影響不同功能組線蟲的相對豐富性〔4〕。

2.2生物指標與種植制度

關(guān)于種植制度對微生物及其活動的影響研究相對較多。Anderson等(1990)發(fā)現(xiàn),qCO2是土壤微生物對種植制度反應(yīng)的敏感指標。輪作土壤的qCO2較低,表明其是一個穩(wěn)定和成熟的系統(tǒng)〔22〕。Sparling等(1992)認為,如果土壤被過度使用,土壤微生物C庫將會以較快的速率下降,最終造成土壤有機質(zhì)和微生物商的降低。Workneh等(1994)發(fā)現(xiàn),同常規(guī)農(nóng)作的土壤相比,有機農(nóng)業(yè)的土壤有較高的微生物活性〔24〕。Grego等(1996)在地中海地區(qū)的研究表明,微生物生物量與土壤有機質(zhì)含量正相關(guān),且栽培土壤的微生物生物量要高于休閑土壤〔6〕。他們還發(fā)現(xiàn),根際土壤的qCO2和磷酸酶活性均較高,這說明根際有一個活躍的環(huán)境,養(yǎng)分周轉(zhuǎn)迅速。相反,遠離根際的土壤更有利于有機質(zhì)的積累。同連作系統(tǒng)相比,土壤酶的活性對輪作系統(tǒng)的積極效果更敏感〔1〕,而且對免耕處理也有所反應(yīng)。Gupta等(1988)將耕作了69年的土壤與鄰近的牧場土壤進行比較后發(fā)現(xiàn),栽培使磷酸酶的活性降低了49%〔25〕。耕作類型也可以彌補栽培措施對土壤生態(tài)的影響,因為同傳統(tǒng)耕作相比,保護性耕作措施能減少對土壤的擾動,表土(<10cm)中的酶活性明顯較高〔26,27〕。Verstraete等(1977)的研究結(jié)果表明,土壤酶(磷酸酶、轉(zhuǎn)化酵素酶、β-葡糖苷酶和脲酶)的活性與作物產(chǎn)量顯著正相關(guān)〔28〕。長期的作物輪作,由于同連作比有較好的植物多樣性,通常對土壤酶活性也有較好的影響,尤其在輪作中包含豆科作物的條件下更是如此〔29〕。

2.3生物指標與土壤管理

長期的定位試驗表明,土壤酶在識別不同土壤管理措施的效果時較敏感〔1〕。同不施肥的對照相比,向土壤中施用有機物質(zhì),如動物糞肥、綠肥或作物殘體、城市垃圾等,許多土壤酶的活性均增強。Dick等(1988)研究發(fā)現(xiàn),長期施用農(nóng)肥的土壤表現(xiàn)較高的酶活性、微生物生物量和微生物活性〔30〕。但他們也發(fā)現(xiàn),增加氨態(tài)氮肥的施用比率會降低那些與N循環(huán)有關(guān)酶的活性,如酰胺酶和脲酶。能夠使田間綠肥或作物殘體水平提高的農(nóng)作制度,許多酶的活性均明顯增強〔15,30〕。土壤緊實度增加也能降低酶活性。Dick等(1988)的研究表明,緊實土壤中的磷酸酶活性明顯較低,酶活性與土壤容重間呈負相關(guān)關(guān)系〔31〕。Gupta等(1994)發(fā)現(xiàn),土壤中施入不同的作物殘體后,也會引起qCO2的變化,但變化趨勢似乎并不完全一致〔8〕。保持作物殘茬對土壤肥力和細菌繁殖較為有利,同時也會增加土壤原生動物的豐富性和多樣性〔32〕。少耕或免耕傾向于促進那些以食真菌為主的原生動物和線蟲等土壤原生蟲系的發(fā)展,而常規(guī)耕作通常有利于那些生命周期短、代謝率高和擴散迅速的生物〔4,33〕。Grego等(1998)研究了在施用農(nóng)肥或硝態(tài)氮肥后玉米生長的整個周期內(nèi)土壤微生物群體和活性的變化,他們發(fā)現(xiàn),最大的微生物生物量和高代謝商出現(xiàn)在施肥后,并在花期迅速下降,認為可能是由于微生物群體和植物間養(yǎng)分競爭的結(jié)果。花期后,僅在施用農(nóng)肥的土壤中出現(xiàn)最高的微生物生物量〔7〕。Yeates等發(fā)現(xiàn),在反映線蟲的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和趨勢方面,一些生態(tài)指數(shù)如種類豐富度(speciesrichness)和香濃指數(shù)(Shannon-Weaverindex)非常實用。

3討論

土壤生物與幾乎所有的土壤過程有關(guān)。與通常是土壤變化產(chǎn)物的土壤有機質(zhì)或養(yǎng)分不同,土壤生物及其活動能被用作土壤變化的早期預警生物指標,尤其是因污染、土壤管理措施、種植制度、土地利用等引起的農(nóng)業(yè)土壤變化。一些土壤生物學特性,如微生物生物量、呼吸商(qCO2)、土壤酶活性、原生動物與線蟲的豐富性和多樣性等,已顯現(xiàn)出其成為生物指標的潛力。需要說明的是,這些有潛力的生物指標目前均不足以直接推廣應(yīng)用,相反,各生物指標均需要對其在不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的有效性加以驗證。生物指標的驗證則需要進行大量的進一步研究工作,尤其在土壤微生物學方面。正如多數(shù)科學家所指出的那樣,目前應(yīng)用土壤生物指標的主要障礙是:缺乏對一般土壤過程與土壤生物群落結(jié)構(gòu)或特性間關(guān)系的了解,對具體指標好與壞的基線與閾值也并不十分清楚。事實上,我們目前在此領(lǐng)域中正在做的工作和已經(jīng)做的工作均是對這些關(guān)系、基線或閾值的探索。當通過試驗獲得各種條件下的足夠信息后,必將能夠弄清它們之間的關(guān)系,也能夠確定各指標好與壞的基線與閾值。在生物指標的確認方面,最重要的步驟應(yīng)當是確認決定土壤健康的主要生物成分、功能和過程,然后,從這些成分、功能和過程中進一步選擇生物指標。對土壤中的每一過程均進行監(jiān)測幾乎不可能,我們只能將精力集中到那些決定大多數(shù)土壤功能的主要過程上。通過這種方法,一定會取得較大進展。然而,在多數(shù)相關(guān)的國際雜志中,很少見到中國國內(nèi)學者在該領(lǐng)域的工作,至少是在可持續(xù)發(fā)展背景下的研究工作。跟緊世界步伐是我國科學家面臨的重要任務(wù)。