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蚯蚓和微生物对土壤生态系统缓冲性、修复功能探讨

0 动物养殖网 | 2020年3月7日

摘要:土壤是“具有生命的有机、无机复合体”,其缓冲性是土壤的重要性质之一。土壤生物多样性及多功能性提高了土壤生态系统的稳定性和和谐性,土壤生物在土壤的生态系统中发挥重要的作用。笔者系统论述了土壤动物(蚯蚓)和土壤微生物在改善土壤结构、调控土壤养分等提高土壤养分缓冲性方面的作用,以及它们通过生物吸附、富集、沉淀、溶解、氧化还原、改变土壤的理化性质等行为,对重金属的生物有效性及重金属毒性产生影响,目的是为现代农业特别是有机农业生产提供理论基础。

土壤,作为全球系统的一个重要组成部分,是动、植物生存的物质基础,在物质循环、能量转换过程中有着不可替代的作用,是一个“发生器、储存器、转换器、缓冲器和调控器”。一个健康的土壤应当具有容纳和提供生物所需的各种营养物质的能力,并能够使有害污染物转化为低毒的形态或者降解为无毒的成分。土壤的这种能力是土壤的缓冲性能的重要表现之一,这种特性的呈现是一个特殊的代谢过程,在这个过程中土壤生物扮演着非常重要的角色,因而土壤被认为是“具有生命的有机、无机复合体”,是一个系统水平上的“活机体”。但是,土壤所具有的缓冲性能是有差别的,特别是人类对自然环境和资源的过度开发和强烈干预,使得土壤中数以万计的物种消失或濒临灭绝,生态系统稳定性减弱,致使土壤系统出现了不同类型和不同程度的退化,特别是土壤与生物群落之间和谐共融的特性遭到破坏,土壤质量和可持续生产的能力下降,并且影响到农业的安全生产和人类健康。因此,在增强土壤缓冲性能的研究中,以土壤生物为中心,把生物、土壤和环境作为一个有机功能整体,进行系统内组成、结构及功能的研究,确定土壤缓冲性的生物指标的基线和阀值,探讨系统内物流、能流和信息流的机制,促进土壤生物多样性的保护,合理开发利用土壤生物资源,对于现代农业特别是有机农业生产具有更为重要的理论依据和现实意义。

一.土壤缓冲性的提出及论点

“缓冲”是指使某种事物变化过程的减缓。狭义的土壤缓冲性是指土壤对酸碱的抵御能力。随着土壤学科各分支的发展和研究的深入,土壤缓冲性的研究正由单纯的研究土壤对酸碱的缓冲性,进而研究土壤对养分和重金属元素的缓冲性,并从单因素向多因素,从静态向动态方向发展。因此,广义的土壤缓冲性是指土壤因水分、温度、时间等外界因素的变化,抵御其组分与外源物浓(活)度变化的性质. 特别是随着土壤生物技术的发展,国内外学者从不同的角度论述了土壤生物对土壤生态养分、重金属的数量和状态的影响,从而为土壤缓冲性的研究注入了新的思路。土壤缓冲性的提出和研究是随着人们对土壤酸度的认识以及指导石灰的施用而得到重视的。20世纪初期,在美国Florida的桔园中,由于大量施用石灰,造成对果树的危害,从而认识到控制土壤pH值的重要性。此后Bradfield报道了通过滴定曲线发现土壤具有弱酸的性质;Wilson等用滴定曲线确定了土壤缓冲性;Peech认为土壤阳离子盐交换量越大,缓冲能力越强; NYE研究了营养元素浓度对土壤的缓冲能力、吸收能力、根毛数量及养分扩散吸收的影响。20世纪后期到本世纪初,由于农药、化肥、除草剂的大量使用以及工业带来的重金属污染,对农产品质量安全带来了很大的影响,引起了国内外学者的关注,并投入大量精力进行研究。期间最有代表性的是Franzle用计算机模拟欧洲7个地质单元土壤对除草剂2,4-D的缓冲容量的差异。华珞等在进行了不同生物气候带下几种土壤对Cu、Pb、Cd、F的缓冲性的测定后分析提出土壤缓冲转化性、缓冲基质性、平均缓冲性、即时缓冲性等一些关于土壤缓冲性的新内容,初步形成这一领域所特有的研究体系。刘伟等认为,土壤质地对土壤缓冲性具有明显的影响,在土壤主要化学性质相近的情况下,重壤土、中壤土和轻壤土缓冲性依次减弱,并提出碳酸钙对土壤酸缓冲性的贡献最大。成杰民等提出以酸碱滴定曲线拟合方程的斜率表征土壤酸缓冲能力的新方法,土壤酸碱滴定曲线在其突跃范围内,加酸的量与土壤PH呈极显著线性负相关,直线斜率b值表示加入单位量的酸引起土壤PH 的变化量,b的绝对值越大,土壤缓冲能力越差。

二.土壤生物対土壤养分的缓冲性

土壤对养分元素的缓冲性是土壤维持其溶液中养分元素的活度相对稳定状态的性能。土壤生物具有营养养分元素的转换、储存和释放的特殊功能,对于提高土壤养分的缓冲性具有重要的作用。章家恩等认为,一个具有多样性与活性的生物群落的土壤一定具有较为丰富的土壤养分。土壤生物多样性与均匀性提高了土壤生态系统的稳定性和和谐性,在很大程度上提高了对土壤养分的缓冲能力,保证了植物生长所需物质与能量的连续性。因此,土壤生物对土壤养分的缓冲性,在一定程度上是土壤生物(包括酶)的丰富程度、稳定程度及其活性的综合表现。

1.土壤动物(蚯蚓)对土壤养分的缓冲性

土壤动物是指生活史中有一段时间在土壤中渡过,而且对土壤有一定影响的动物。蚯蚓是陆地生态系统中最为重要的大型土壤动物,被誉为“生态系统工程师”。在农田生态系统中,大量的蚯蚓是土壤高度肥沃的标志,蚯蚓、土壤和种植物形成了一个相互作用的有机—无机复合整体,蚯蚓在增强土壤养分缓冲能力方面的作用明显。

2.改善土壤的结构,增强土壤的保肥性能

Satchell认为蚯蚓是土壤结构的重要贡献者,对土壤生态系统最大的影响是使其团聚化。Edward等认为蚯蚓将大量土壤从深层推向表层,在温带气候下,在10到20年内将0~15cm的土壤更新一遍。蚯蚓在活动中构成大量纵横交错的孔道,深居种还可穿过犁耕底,同时,蚯蚓活动的孔道充满了蚓粪,粪粒互相堆叠形成许多非毛管孔隙,显著增强了土壤的通透能力,改善了土壤的结构。Edwards研究认为,有机物料以及土壤经蚯蚓过腹后,通过胶合作用将腐殖酸钙、植物残体或聚糖分子等胶合到一起,形成吲粪,而蚓粪具有疏松、多孔、水稳性强、有效养分多的特点,吸附和保肥性能良好,并有较高的水稳性。Ketterings等研究发现,土壤经蚯蚓作用形成有机无机复合体,使直径大于1000 um的水稳性团聚体含量大大提高。Bossuyt同样认为,蚯蚓活动将碳结合到稳定性更高的微团聚体中有利于对碳的长期保护,随着老化团聚体稳定性增加,土壤有机碳受到保护而不易分解,提高了土壤有机质的难降解性,对有机质的稳定性产生重要影响。

3.显著提高和稳定土壤养分元素的供应

Parkin等研究认为,蚯蚓能改变土壤的理化性质,促进有机物的矿化,稳定土壤养分的循环。Basker研究报道,蚯蚓活动能提高上壤养分的有效性和养分周转率。蚯蚓作用后,有机物的C/N比逐渐降低,有利于有机氮、磷、钾等养分转化为植物可利用态,缩短了养分供应的时间。大量研究证明,经过蚯蚓“加工”过的土壤一般都具有更高的有机质、全N、盐基交换能力、更多的交换性Ca、Mg、K及有效N、P等。李辉信等研究表明,蚯蚓具有扩大土壤微生物量氮库和促进有机氮矿化的双重作用,接种蚯蚓的土壤,矿质氮、硝态氮以及微生物量碳、氮含量提高。另外,蚯蚓对植物残体的破碎作用,为原生动物的取食和微生物的进一步分解提供了必要的条件。与此同时,蚯蚓和微生物之间还存在着各种直接或间接的关系,通过代谢释放及改变微生物数量、群落结构和组成等方式共同对土壤N, P的循环产生巨大影响。Wolters认为蚯蚓对促进土壤微生物活性,促进有机物的分解利用,对依赖有机物分解释放养分的有机农业尤为重要。

4.蚯蚓通过新陈代谢直接向土壤中释放养分

吲体是一种活性很强的养分源,蚯蚓死亡后,蚓体4天内完全分解, 16天后70%的蚓体氮进入植物的茎和叶。死亡蚓体释放的易利用态有机氮每年每公顷有21.1~38.6吨。

三.微生物对土壤养分的缓冲性

微生物在生存和适应环境的过程中,对土壤养分具有调控作用,有利于土壤养分浓度的相对稳定和有效利用。土壤微生物量、群落结构及其活性能明显影响土壤养分的缓冲性。杜相革等研究认为,随着土壤生物生长和死亡,生物碳、氮、磷等元素和养分不断地固定和释放,在肥料养分过多时,微生物吸收丰富的无机养分贮藏到菌丝体内,具有缓和肥效的作用;当肥料不足时,随着微生物的死亡,养分又逐渐释放出来,具有促进肥效的作用。韩晓日等认为,氮肥施入土壤后很快被微生物固定,施肥后5天,微生物对化肥15N的固持达到最高,来自化肥氮的微生物量氮可占64.1~87.3%,在小麦苗期,微生物释放的15N量可占作物吸收15N的83.7%。仇少君等采用15N 示踪技术对有机、无机氮源交叉标记进行盆栽试验,结果表明,在水稻生育期内,微生物量氮占全氮的2.20%~4.00%;微生物固定的尿素氮为4.01~15.14mg/kg,占施用尿素氮的1.76%~8.83%;固定的秸秆氮为0.97~2.85 mg/kg,占施用秸秆氮的1.69%~4.98%。

由于土壤微生物中量碳、氮在土壤中的含量较大程度上代表着土壤活性有机碳和氮的储量,因此,土壤中的微生物量是评价土壤生态肥力的一个重要生物指标。高云超等研究认为,翻耕和免耕土壤0~30cm土壤微生物量氮分别为315.0kg/ha和353.6kg/ha,分别比作物每年吸收氮素的量高6.1%和13.9%。Azam研究报道,土壤微生物量氮占土壤全氮的0.5 % ~15.3 %,平均为5 %~6.4 %,在数量上低于或接近于作物的吸氮量,但由于微生物量氮周转率比土壤有机氮快5倍,因此,微生物量氮是土壤有效态氮重要的源。微生物量氮对环境敏感,土壤耕作制度、栽培技术等农业措施都会对微生物量氮产生影响。

另外,微生物通过促进土壤团聚体的形成,提高了土壤养分的缓冲性。研究表明,微生物主要是借助他们的菌丝将土壤颗粒彼此机械的缠绕在一起以及依靠微生物的代谢产物(多糖和其他有机物)对土壤颗粒的胶结作用而形成稳定性团聚体。

土壤酶来源于土壤中动物、植物和微生物细胞的分泌物及其残体的分解物, 其中微生物是其主要来源。由于土壤中各有机、无机营养物质的转化速度, 主要取决于转化酶、脲酶及其他水解酶类和多酚氧化酶等氧化还原酶类的酶促作用,土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向,因此,土壤酶的种类及活性反映了土壤养分的缓冲性能。Groffman研究报道,在人为和自然因素的干扰下,土壤酶活性与土壤微生物数量、微生物多样性、微生物生物量和土壤动物数量等呈显著或极显著正相关。庞学勇等认为土壤酶活性与土壤有机质、全N、全P碱解N等养分指标呈显著正相关,因此,土壤酶与土壤理化特性和肥力状况密切相关。

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