（植物病理学专业论文）不同森林植被下土壤微生物与土壤生化性质的研究.pdf

不同森林植被下土壤微生物与土壤生化性质的研究 中文摘要 本文对陕西省长青国家级自然保护区的主要森林植被：r 本落叶松林、油松 林、秦岭箭竹林和巴山木竹林的土壤微生物、土壤酶以及土壤养分进行了研究， 将土壤分为三层( o l oc n l ，1 0 - - 3 0c m ，3 旷_ 6 0c m ) 进行了测定，得出了它们的垂 直变化规律以及在四种森林植被下的分布状况，并对它们之间进行了相互关系和 主成分统计分析，同时对部分植被的植物茎叶进行了营养元素的分析。其结果表 明： 1 ，四个林地的土壤微生物数量以细菌最多，放线菌次之，纤维素分解菌最少。 不同林地的各种微生物数量存在差异，细菌和放线菌以秦岭箭竹林最多，日本落 叶松林次之，巴山木竹林最少；真菌以秦岭箭竹林和巴山木竹林高于日本落叶松 林和油松林；好气性固氮菌和纤维素分解菌以秦岭箭竹林最多，同本落叶松林次 之，油松林最少； 2 各个林地土壤中的有机质、氮、磷含量均较高，总体数量上，有机质以秦 岭箭竹林 日本落叶松林 油松林 巴山木竹林；全氮、水解氮以秦岭箭竹林最大， 只本落叶松林次之，油松林最少：全磷以秦岭箭竹林最大，巴山木竹林次之，油 松林最少；各个林地p h 值都介于5 6 之间，呈弱酸性； 3 ，各个林地土壤中的钾、钠、钙、镁含量丰富。其中钾含量以油松林最高， 日本落叶松林次之，巴山木竹林最少，总体上以松林大于竹林；而钠、钙、镁却 是以巴山木竹林最高，秦岭箭竹林次之，油松林最少，总体上是以竹林大于松林： 4 四种林地的蛋白酶、脲酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶的活性较高，总活性 上。蛋白酶和过氧化氢酶的大小顺序是秦岭箭竹林 油松林 日本落叶松林 巴山 木竹林；脲酶是以秦岭箭竹最大，臼本落叶松林次之，巴山木竹林最小；多酚氧 化酶以秦岭箭竹林最大，日本落叶松林次之，油松林最小； 5 经t - 检验分析，四种森林植被的土壤微生物数量、土壤酶活性和土壤养分 分别都存在明显差异( p o 0 5 ) 。除开多酚氧化酶常常在1 0 - 3 0 c m 土层突然加强外， 三个土层的土壤微生物数量、其他土壤酶活性和土壤养分随着土层的加深而逐渐 减少，而且各个土层之间存在显著差异( p 0 0 5 ) 。 6 对植物老化枝叶的营养元素分析结果发现，各个植物老化枝叶的磷、钾、 钙、镁、钠、铜、铝、硫的含量存在很大的差异，植物老化枝叶的各个营养元素 的含量与土壤中的元素含量大小基本相反。说明植物枝叶的凋落是森林土壤营养 物质的重要补充，影响土壤的生化性质。 7 相关性和主成分分析发现，这1 3 个因素之间的相关性都为显著f p o 0 5 ) 或 极显著( p o 0 1 ) j t 相关；但多酚氧化酶与土壤肥力的相关性相对较差：细菌、放 线菌在第一主成分中具有最大负荷量，脲酶、真菌、水解氮、有机质、过氧化氢 酶、全氮在第二主成分中具有较大的负荷量。 关键词：森林植被，土壤微生物，土壤酶，土壤养分，相关性分析，主成分分析 t h e s t u d y o ns o i lm i c r o o r g a n i s m ，e n z y m ea c t i v i t ya n d n u t r i t i o nu n d e rd i f f e r e n tf o r e s tv e g e t a t i o n s a b s t r a c t t h er e p o r ti sf o c u s i n go nf o u rm a i nt y p e so fv e g e t a t i o n s ：l a r i xk a e m p f e r a ， f a r g e s i aq i n l i n g e n s i s ，b a s h a n i a f a r g e s i a n dp i n u st a b u l a e f o r m i si ns h a n x ic h a n g q i n g n a t i o n a in a t u r er e s e r v ei ns h a n x ip r o v i n c e w ed e t e c t e da n da n a l y z e dt h e s o i l m i c r o o r g a n i s mq u a n t i t y , e n z y m ea c t i v i t y a n ds o i ln u t r i t i o nc o n t e n t so ft h r e es o i l l a y e r s ( m 1 0c m ，1 0 - 一3 0c m ，3 0 嗡0c m ) i n s t a n d so ff o u rf o r e s tv e g e t a t i o n s ，f o u n d t h e i rv e r t i c a lc h a n g er u l ea n dd i s t r i b u t i o ns t a t eu n d e rf o u rk i n d so ff o r e s tv e g e t a t i o n ， a n a l y z e dt h ec o r r e l a t i o na n dm a i nf a c t o r sa m o n gt h e m ，a n dd e t e c t e da n da n a l y z e d n u t r i t i o ne l e m e n t so fl e a v e sa n ds t e m so f p a r tp l a n t s n er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a m o n gf o u rk i n d so f f o r e s tl a n d ，s o i lb a c t e r i aq u a n t i t yi st h em o s t ，a c t i o n m y c e s t a k e ss e c o n d p l a c e ，c e l l u l o l y t i co r g a n i s m i st h ef e w e s t t h em i c r o o r g a n i s mq u a n t i t yo f d i f f e r e n tf o r e s tl a n d sa r ed i 位r e n t ，s o i lb a c t e r i aa n da e t i o n m y c e sq u a n t i t i e si af a r g e s i a q i n l i n g e n s i ss t a n da r et h eh i 曲e s t ，a n dt h o s ei nb a s h a n i af a r g e s il a n da r el o w e r t h a n t h o s ei nl a r i xk a e m p f e r aa n dp i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n d s ；s o i lf u n g iq u a n t i t i e si n f a r g e s i aq i n l i n g e n s i sa n db a s h a n i a f a r g e s i s t a n d sa r em o r et h a nl a r i xk a e m p f e r aa n d p i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n d s ；a z o t o b a c t e ra n dc e l l u l o l y t i co r g a n i s mq u a n t i t i e s i n f a r g e s i aq i n l i n g e n s i ss t a n da r et h em o s t ，t h en e x ti sl a r i xk a e m p f e r as t a n d ，a n d t h o s e i np i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n da r et h ef e w e s t o r g a n i cm a t t e r s o l ln a n dpc o n t e n t si na l if o r e s tl a n d sa r eh i g h 。o nt h eo v e r a l l q u a n t i t y , t h eo r d e ro f s o i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t si ne v e r yl a n df r o mb i gt os m a l li s f a r g e s i aq i n l i n g e n s i s , l a r i xk a e m p f e r a , p i n u st a b u l a e f o r m i sa n db a s h a n i af a r g e s i ； t o t a lna n dh y d r o b ，z a b l enc o n t e n t si nf a r g e s i aq i n l i n g e n s i ss t a n da r et h em o s t ，t h e n e x ti sl a r i xk a e m p f e r as t a n d a n dt h o s ei np i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n da r et h ef e w e s t ； t o t a lpc o n t e n t si nf a r g e s i aq i n l i n g e n s i ss t a n di st h em o s t , t h en e x ti sb a s h a n i a f a r g e s i s t a n d a n dt h o s ei np i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n di st h ef e w e s t ；s o l lp ho fe a c hf o r e s tl a n d l i e sb e t w e e n5 - 6 w h i c hi sw e a ka c i d k ，n a ，c aa n dm g c o n t e n t so fe a c hf o r e s tl a n ds o i la r ea b u n d a n t kc o n t e n ti n p i n r u st a b u l a e f o r m i ss t a n di st h em o s t ，t h en e x tj sl a r i xk a e m p f e r as t a n d ，a n dt h o s ei n b a s h a n i af a r g e s is t a n di st h ef e w e s t ，i nt h em a s st h ekc o n t e n t so fp i n el a n d sa r e g r e a t e rt h a n b a m b o o l a n d s ；n a , c a ，m g c o n t e n t si nb a s h a n i a f a r g e s is t a n da r et h em o s t ， t h en e x ti sf a r g e s i aq i n l i n g e n s i ss t a n d a n dt h o s ei np i n u st a b u l a e f o r m i ss t a n da r e 血e f e w e s t ，i nt h em a s st h o s eo f p i n el a n d sa r eg r e a t e rt h a nt h o s eo fb a m b o ol a n d s s o i lp r o t e a s e ，u r e a s e ，p o l y p h e n o lo x i d a s ea n dc a t a i a s ea c t i v i t i e si nf o u rf o r e s t l a n d sa r eh i g h i nt h em a s s ，t h eo r d e ro f p r o t e a s ea n dc a t a l a s ea c t i v i t i e so f f o u rf o r e s t l a n d sf r o m b i g t os m a l li sf a r g e s i a q i n l i n g e n s i s , p i n u st a b u l a e f o r m i s , l a r i xk a e m p f e r a a n db a s h a n i a f a r g e s i s o i la r e a s ea c t i v i t yi nf a r g e s i aq i n l i n g e n s i ss t a n di st h em o s t ， t l l en e x ti sl a r i xk a e m p f e r as t a n d a n dt i l o s ei nb a s h a n 妇f a r g e s is t a n di st h ef e w e s t p o l y p h e n o l o x i d a s ei n f a r g e s i aq i n l i n g e n s i s s t a n di st h em o s t ，t h en e x ti sl a r i x k a e m p f e r as t a n d ，a n d t h o s ei np i n u st a b u l a e f o r m 妇s t a n di st h ef e w e s t a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f s i g n i f i c a n c et e s tt h a tt h ed i f f e r e n c e so f m i c r o o r g a n i s m q u a n t i t y , t h ee n z y m ea c t i v i t ya n ds o i ln u t r i t i o nc o n t e n ta m o n g d i f f e r e n tt y p e so ff o r e s t s o i la r e s i g n i f i c a n t ( p o 0 5 ) e x c e p t f o r p o l y p h e n o l o x i d a s e ，a l l k i n d so f m i c r o o r g a n i s m ，e n z y m ea n dn u t r i t i o nw e r ed e c r e a s e dg r a d u a l l y w i t hd e p t ho fs o i l l a y e r ，a n d t h ed i f f e r e n c e so f t h e ma m o n gd i f f e r e n ts o i ll a y e ri ss i g n i f i c a n t ( p 0 0 5 ) t h ee i g h tn u t r i t i o ne l e m e n t s ( p ，k ，m g ，c a ，c u ，n a ，a i ) o f l e a v e sa n ds t e m s o fp l a n t sa r ea b u n d a n t t oa n a l y z e s y n t h e t i c a l l y t h er e s u l t st of i n dt h a tt h es o i l b i o c h e m i c a lp r o p e r t yk e e pa c c o r dw i t l ln u t r i t i o ne l e m e n tc o n t e n to ft h ep l a n t p r o v et h e s o i lb i o c h e m i c a lp r o p e r t yi n f l u e n c e st h ep l a n ta b s o r p t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no ft h e n u t r i t i o ne l e m e n t c o r r e l a t i o na n dp r i n c i p a lf a c t o r sa n a l y s i si n d i c a t e dt h a t13f a c t o r sa m o n gs o i l m i c r o o r g a n i s mq u a n t i t y ，e n z y m e a c t i v i t y a n ds o i ln u t r i e n tc o n t e n tr e a c h e d s i g n i f i c a n t ( p 耕地，从而导致土壤微生物总量的变化也是 草地 林地 耕地”。 李世清、李生秀等。”研究西北地区不同生态系统中微生物体氮情况结果表明， 不同生态系统土壤中的微生物体氮存在显著差异：森林土壤( 4 0 3 2 9 9 g ) 草甸土壤 ( 3 4 0 8 g g ) 草原土壤( 3 0 1 2 1 x g g ) 农田土壤( 6 2 4 1 3 7 6 9 9 g ) ，自然植被土壤远高于 农田土壤。 2 1 3 不同檀物群落对土壤微生物的影响 在相似的大环境下，随着植物群落类型的不同，微生物在其行为和组成上也表 现出不同的活性趋势。植物群落类型初步决定了微生物群落的组成。f e n n ”对两种 不同演替期的灌木丛进行了研究，发现在同一时期不同的灌木丛下，微生物生物过 程的显著不同导致了土壤中的n h 4 + ，n 0 3 以及呼吸速率的显著不同。在草原系统 中，由于环境因子的制约作用，植被类型强烈影响着微生物的活性。根据研究者对我 国优鼹牧场东北羊草草场的研究，微生物数量，生理群数量，微生物生物量在各生境 中的分布为羊草+ 杂草群落 隐子草群落 碱蓬群落”“，微生物呼吸速率为羊草 隐 子草”“。赵吉等对锡林河流域的六种不同植物群落作为研究对象进行了土壤各类群 微生物量的测定分析。结果表明，不同植物群落下微生物的组成及其生物量均有差 异，不仅表现在总生物量上，而且在不同类群生物量的组成比例上也因不同生境而 异。细菌生物量和植物地上生物量有相关关系( r = o 7 6 6 r = 0 0 5 ) 。”。 2 1 4 相同檀物不同阶段对土壤微生物的影响 同种植物在它的不同种植代和不同发育阶段对土壤微生物都存在一定的影响。 微生物数量和微生物种类都有很大的不同。有大量的研究证明，例如，对二代杉木 人工林的研究显示；在二代杉木人工林的根际土壤中细菌数量明显比一代的高，且 立地条件越差差别越大；在二代杉木林根际土壤中真菌数量比一代杉木林的多，二 代杉木人工林根际土壤中放线菌的数量均比一代杉木林的少。”。通过对杉木人工林 不同发育阶段研究发现：中龄杉木林细菌数量明显低于幼龄林和成熟林，特别是在 中龄杉木林土壤中枯草芽孢杆菌在细菌中所占比率明显低于幼龄林和成熟林的：放 线菌数量的变化均无明显规律，但在类群组成上，中龄林土壤中，主要类群仅有白 色类群、黄色类群和灰褐类群，而幼龄林和成熟林类群较丰富；从幼龄到中龄杉木 人工林，土壤真菌数量呈明显下降趋势，从中龄林到成熟林，则呈上升趋势，且在 种类分布上，杉木中龄林土壤中青霉属所占比例明显高于幼龄林和成熟林的”。 2 1 5 植物的根际分泌物对土壤微生物的影响 植物的根系分泌物是在一定的生长条件下，活的且未被扰动的根释放到根际环 境中的有机物的总称。根系分泌物的有机物中，可溶性物质包括有碳水化合物、氨 基酸和有机酸，天然化合物中有肽、维生素、核苷、脂肪酸和酶类等。 6 不同植物的根系分泌物的种类及同种植物在不同的生育期根系分泌物的种类和 数量都有差异。根系分泌物不仅为根际微生物提供所需的能源，而且不同根系分泌 物直接影响着根际微生物的数量和种群结构。当然根系分泌物除了对根际微生物数 量和种类产生影响外，还对微生物的代谢及生长发育有一定的影响。其影响有时起 促进作用，有时起抑制作用。 例如，c h a b o u d 。”研究指出，玉米根系分泌物在不同生育期蛋白质与总糖含量 有明显差异，这些物质的种类与数量差异对土壤微生物群的分布有直接影响。唐敏 ( 1 9 9 1 ) 1 采用1 4 c 示踪原子法测得刺槐及国槐根分泌1 4 c 在根面、根际土壤、根 区土壤中形成一个递减的浓度梯度，这些根分泌物为生活在根面的好氮固氮菌提供 了碳源和能源。另外，h a r t w i n g o ”从苜蓿种子与根系分泌物中分离出黄酮类物质， 并证明了它们有诱导根瘤菌结瘤的作用。r i c e 等”从顶级植物群落中提取出大量的 类黄酮，发现这种物质能抑制细菌生长。k e n t 1 认为苜蓿种子与根系分泌物中同时 含有对根瘤表达起抑制或促进作用的物质。m u a r r y “研究认为酚酸物质能抑制微生 物产生气体与挥发性脂肪酸的作用，并且减少微生物对其生长介质的消耗。在根系 分泌物中可能还存在更多对土壤微生物起作用的物质，这有待进一步去发现，并研 究它们的作用机理及处理方法，从而改善土壤的生态环境。 2 2 土壤微生物对植物的作用 土壤微生物群落中，由于不同种类的微生物行使着不同的功能，例如土壤细菌 能使树木不能直接利用的复杂的含氮化合物转化为可给态的含氮无机化合物；真菌 则在土壤碳素和能量循环过程中发挥作用：一般认为放线菌与土壤腐殖质含量有关， 它能同化无机氮，分解碳水化合物及脂类、单宁等难分解的物质，在土壤中对物质 的转化也起到一定作用，再者，放线菌数量与种群也与林木病害防治有密切的关系； 纤维素分解菌能分解纤维素和半纤维素为各种糖类供林木利用，是树木生长碳源和 能源的主要来源；自身固氮菌具有固定大气中的氮，丰富土壤氮素的能力，因此， 不同功能和类型的土壤中有着不同的土壤微生物优势种群，其数量的多少也可以作 为土壤肥力的一个指标。 2 2 1 土壤微生物对植物营养元素有效性的作用 微生物直接或间接地对不同土壤环境中的营养元素循环产生影响，从而影响它 们的植物有效性。微生物活动可以释放或活化某些营养元素，直接增加土壤营养元 素的有效性，加快循环过程。同时也可通过影响根系的生长和发育，间接地影响养 分的循环过程及其有效性。 间接作用 微生物对根系生长，形态发育以及植物生理特征的影响可以在很大程度上影响 根系吸收营养物质的范围和潜力。微生物在这个方面的作用有积极的一面，也有消 极的一面，这主要取决于微生物的类群和植物的基因型。d a r b y s h i r e 和g r e a v e s “ 研究表明，接种某些微生物可减少根和根系的长度以及根毛的密度，由于这些微生 物抑制了根系的生长发育，从而减少了植物对难移动元素的吸收，降低了该类营养 元素的有效性。另一方面，有些微生物可促进植物根系的生长。这些土壤微生物在 进入自身生命周期的后期时，能分泌出一些微量的次生代谢产物，其中就有一些是 植物激素( p h y t o h o r m o n e ) ，可以刺激植物根系的发育，提高植物对营养元素的吸收”。 当接种这些促进植物生长的微生物后，根的长度会增加。例如，接种固氮螺菌可使 根长，侧根数，根毛长度和密度增加”，结果提高了植物对n ，p ，k 的吸收量，从 而加快了这些元素的循环。此外，这种固氮螺菌还可增加豆科植物的根瘤数量，增 加根际氮的投入量。这种影响可能是由于该菌释放植物生长调节剂促进了植物根系 的生长，也可能是由于这些细菌消除了某些根际微生物对植物的抑制作用。 直接作用 固定氮素微生物在生命活动过程中能将空气中的惰性氮素转化成植物可直接吸 收的离子态氮素，提供给植物吸收，保证了植物的氮素营养。至今所研究过的固氮 生物约有5 0 多属1 0 0 多个种，都是原核生物一般把它们分为自生固氮菌、共生固 氮菌和联合固氮菌。哈迪认为”，全世界一年中通过各种途径固定的氮素约为2 7 0 3 0 吨，其中7 0 是生物固氮，而生物固氮主要是利用根瘤菌进行固氮。在土壤中固氮菌 的氮素的固定作用很强烈，估计每公顷土壤每年平均积聚3 7 - 5 7 5k g 左右的氮素“。 释放难溶矿质中的营养元素微生物在其生命活动期间能分解土壤中难溶性的矿 物，并把它们转化成易溶性的矿质化合物，从而帮助植物吸收各种矿质元素。土壤 中含有很多钾细菌和磷细菌，它们能够将土壤矿物无效态的钾和磷释放出来，供植 物生长发育用。钾细菌又叫硅酸盐细菌，能对土壤中云母长石等含钾的铝硅酸盐及 磷灰石进行分解，释放出钾、磷与其他灰分等。另外，有些细菌也具有很强的解磷 能力，在培养基上高达5 8 9u g m l ”。而真菌的解磷能力一般是细菌的l o 倍“。一 般认为，微生物解磷的机制是由于微生物分泌出有机酸，这些酸既能够降低p h 值， 又可与铁、铝等离子结合，从而使难溶性磷酸盐溶解。实验表明，解磷菌的溶磷作 用是中低肥力土壤上促进植物生长最重要的机制之一。 促进腐质酸的形成土壤微生物能促使根系周围的有机物形成腐殖酸，促进植物生 长发育。土壤中的有机质由正在分解的残留物、担负分解残留物的生物所形成的副 产品、微生物本身和抗性更强的土壤腐殖酸盐所组成。在母本植被，特别是在针叶 林下，累积了大量无色的腐殖质酸，它们是微生物群体活动的产物，在这些微生物 中真菌有着很大的意义。微生物碎片( 如真菌e p i c o c c u m 产生的碎片) 衍生或木素局 部降解衍生的一种酚( j l 茶酚) 与土壤中的氨基酸在微生物酶系的作用下反应生成氨 基醌中问产物，然后再缩合成棕色的含氮腐殖酸盐。一般认为，腐殖质化合物中的 氮素和碳水化合物部分是微生物原生质的主要组成部分，它是在微生物死亡之后从 细胞中释放出来的。腐殖酸盐含有大量功能团，既能改良土壤，又能刺激作物生长。 土壤中腐殖酸的增多直接促进着植物的生长发育。 2 2 2 净化环境，减少毒性 由于长期使用化学肥料和农药，以及一些工厂废气、废水、废渣的不规范排放， 使得土壤中的有机、无机污染物同益增多，降低了土壤的肥力，抑制植物的生长甚 至毒害植物使之死亡。土壤微生物能降解无机、有机污染物，减轻污染物对植物的 毒害，为植物的生长提供一个良好的生态环境。例如，土壤中一些微生物可以把非 芳香环碳上的氯原子以氢原于取代，具有这种还原脱氯功能的微生物有酵母、普通 变形菌、粘质沙雷氏菌( s e r r a t i am a r c e s c e n s ) 、红平诺卡氏菌( n o c a r d i ae r y t h r o p o l i s ) 、 产气气杆菌翻e r o b a c 抒e r a e r o g e n e s ) 和链霉菌等。而降解d d t 的微生物则有1 0 个属 中的2 3 个种的细菌，如假单胞菌属的6 个种，黄单胞菌属的4 个种，欧文氏菌属的 4 个种”。对于无机污染物来说，主要是一些重金属的污染，如汞、铅、铜、锌、 铬和镉的污染。微生物能将重金属进行转化，使重金属从有毒性的形态转化为低毒 性或无毒性的形态。如同本分离到的一种抗汞的假单胞菌( p s e u d o m o n a s k 6 2 ) “，它 能把甲基汞和离子汞还原为元素汞。为什么土壤微生物具有这个功能呢? 首先，微 生物巨大的比表面积，使微生物对生存条件的变化具有极大的敏感性，又由于繁殖 快，数量多，可在短时间内产生大量变异的后代。对于极端的环境，对进人环境的 “陌生”污染物，微生物可通过突变，改变其原来的代谢类型而适应，并产生新的 降解能力。其次，微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，又有诱导性，对环境 中的污染物，微生物通过其灵活的代谢调控机制而降解转化之。另外，微生物体内 还有另一种调控系统一质粒( p l a s t i d ) 。质粒是菌体内一种环状的d n a 分子，是染色 体以外的遗传物质。降解性质粒可编码生物降解过程中的一些关键酶类，抗药性质 粒能使宿主细胞抗多种抗生素和有毒化学品如农药和重金属等”“。所以微生物的这 些特征将为植物创造一个良好的生长发育环境，降低了污染物对植物的影响。 2 2 3 减少植物瘸害 一方面，根际的土壤微生物在植物的根系周围形成一个粘质层或粘胶等，利用 这种物理屏障在微生态环境中保护植物根系，减少了病原菌和虫害的入侵。另一方 面，土壤中存在很多作为植物病害生防因子的土壤微生物，具有细菌防治细菌，细 菌防治真菌，真菌防治真菌的情况。如利用非致病链霉菌防治由s t r e p t o m y c e s s c a b i e s 引起的马铃薯疮痂病。“，荧光假单胞菌防治棉苗腐霉菌猝倒病、丝核菌立枯病等等。 土壤中的土壤农杆菌、假单胞菌和木霉属菌株是土壤中主要的生防因子。这些生防 微生物的主要作用机制为：( 1 ) 竞争作用，与病原物的植物根际的位点竞争和营养 9 竞争，营养竞争包括了对碳、氮和铁的竞争。如荧光假单胞菌产生的噬铁素络合根 际铁离子，使病菌得不到足够的铁元素营养，生长发育受到抑制，对植物体的危害 减轻，因而植物生长发育得到改善8 “。( 2 ) 抗生作用，许多细菌产生的抗真菌代谢 物( 金属螯合剂和酶除外) 在体内和体外都具有活性，这包括氨、丁内酯、寡霉素a 、 藤黄绿脓菌素( p i t ) 、硝吡咯菌素( p y r r o l n i t r i n ，p l n ) 、吩嗪1 一羧酸，及其它一些未明 确的代谢物。多数木霉也产生很多抗生素，如哈茨木霉可产生1 2 种，康氏木霉可产 生9 种，绿色木霉可产生1 0 种。这些抗生素的化学性质各不相同，包括了戊酮、辛 酮、类萜、多肽和氨基酸衍生物等几大类“”。如小麦全蚀病生防菌( p - t l u o r e s c e n s ) 中 发现的抗生索吩嗪1 羧酸。它在小麦根际的数量与细菌防治全蚀病的效果有f 相关 系。( 3 ) 寄生、重寄生及产生胞外酶，细菌，尤其是放线菌，具有寄生感染或降解 植物病原真菌孢子的能力，从而从真菌获取营养而阻止病原真菌的生长。某些真菌 也可以重寄生于其它真菌的孢子、菌丝及其它部位。某些生防菌也可以产生降解病 原菌细胞壁的胞外酶。如用能够产生b 一1 , 3 。、b 一1 , 4 一和量1 , 6 葡聚糖的放线菌菌株 可以防治由p h y t o p h t h o r a f r a g a r i a ev a t r u b i 引起的悬钩子根腐病。( 4 ) 诱导植物的 抗性，非致病的镰刀菌属真菌、p y t h i u mo l i g a n d r u m 、非致病丝核菌、青霉属的p o x a l i c u m ，以及共生的菌根真菌“1 等都具有诱导植物抗性的能力。有资料表明，硅 酸盐细菌也有增强植物抗病的能力。 此外，土壤中还存在一些真菌的菌丝与高等植物的根系形成一种联合体，如v a 菌根，能提高植物在不良环境下的抗御能力，增强植物的抗逆性。可以说，土壤微 生物对植物的作用是存在很多积极方面的，且形式是多样的。如果合理利用土壤微 生物的这些特性，充分发挥土壤微生物的优势，对促进植物生长，提高作物产量的 作用是不可估量的。 3 土壤酶的研究进展 土壤酶是土壤的组成部分之，数量虽少，作用颇大，它参与土壤生态系统的 一切生物化学过程。随着科学的发展和新技术的引入，对土壤酶的研究日渐深入， 并将土壤酶活性与土壤肥力联系起来取得了初步成功。但是，作为今后土壤科学基 础研究的一个重点，强调土壤肥力的生物学特性包括生化特性还没有予以更大重视。 尤其是在森林土壤方面，国外报道不多，国内也是近l o 年才有较大发展。2 0 世纪 5 0 年代起，欧洲和前苏联学者将士壤酶活性作为土壤肥力的指标。由于土壤酶活性 的变化常常在短时间内发生( 数月或一年内) ，因此酶活性可以比有机质更早地反应 出土壤性质的变化。近年来的研究表明，在自然生态系统或低投入的农田生态系统 中，土壤酶活性与植物生物量，产量密切相关。 1 0 3 1 土壤酶的研究概况 所谓土壤酶是指土壤中的聚积酶，即胞外酶。它是在没有微牛物繁殖发生情况 下，土壤里存在的具有活性的蛋白质。它包括：( 1 ) 在细胞外执行催化功能，自由存 在于土壤溶液罩或固定在无机或有机组分上的酶；( 2 ) 存在于细胞碲片内的酶：( 3 ) 存在于死细胞或具有生命力但不进行繁殖的细胞内的酶。 关于土壤存在聚积酶的报道，最初见于1 9 世纪木。1 8 9 9 年，w o o d s 发现土壤中 有过氧化氢酶的存在，并指出它来源于植物的腐解。k o n v g 和g v l e 用气量法对之进 行了首次测定。随后又发现了淀粉酶( k n n d s o n ，1 9 1 9 ) 、磷酸酶和脲酶( r o t i n i ，1 9 3 0 ) 。 早期土壤酶的研究主要是酶的来源、类型以及一些研究方法等。2 0 世纪5 0 年代后， 许多理论成果及研究方法引入酶学研究，加之土壤生物化学的迅速发展，使土壤酶 学逐渐发展成为土壤科学的一个新分支。目前土壤酶主要向两个领域延伸：( 1 ) 了解 土壤酶存在的状态及生化动力学特性，包括研究酶的提取，稳定机理及现代化测试 方法并阐明它们在生态系统中的作用；( 2 ) 应用于土壤，我国从解放后才引进方法开 展了土壤酶学研究，近2 0 年有了蓬勃发展，且重点在农地土壤酶，而对森林土壤酶 重视不够，今后有必要开展更深入的研究。 我国对土壤酶的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，主要研究土壤酶与土壤微生物 的关系、耕作技术对土壤酶的影响及土壤酶与植物生长的关系，仅发表少量研究报 告1 。 3 2 土壤酶的实验分析和数学分析方法 用生物化学技术能够快速地检测土壤酶活性，使土壤酶学研究在2 0 世纪6 0 年 代后期至8 0 年代比较热门。其中脲酶、磷酸酶、脱氢酶在土壤中的含量和变化规律 研究较多4 “”1 。但土壤酶测定方法用于土壤微生物研究的一个致命弱点是不能直接 的反映土壤实际微生物状况。v i s s e r 等”对酶检测用于土壤微生物群落和土壤质量 评价提出了怀疑。s k u j i n s ”7 1 认为脱氢酶本身的生物化学特征决定了它不可能以胞外 酶状态存在于土壤中。为了解决土壤酶测定中的评判问题，b e c k 提出了土壤微生物 如微生物量、还原酶、水解酶的适宜指标，然而，这些指标从来没有被广泛采用。 土壤酶检测技术的创新是土壤酶学得以发展的前提和基础。早期的土壤酶研究 主要是运用微生物学研究材料和方法，2 0 世纪5 0 年代以后，滴定、比色法等广泛 用于土壤酶的测定4 ；近年来，由于生物化学、分子生物学技术的飞速发展，土壤 酶的检测技术也取得了长足的进展。透射电子显微镜技术( t r a n m i s s i o ne l e e t r o n m i c r o s c o p y ) 用于研究土壤酶对枯落物的分解作用及过程，观测叶肉组织超微结构变 化的同时可以定位研究胞内酶活性的变化3 。荧光微型板酶检测技术( m i c r o p l a t e f l u o r i m e t r i c a s s a ) 被广泛用来研究土壤酶多样性及其功能多样性”。土壤酶活性测 试盒( s o i le n z y m ea c t i v i t yt e s t k i t ) 在土壤酶野外快速测定上具有极好的应用前 景4 “。凝胶电泳( e l e c t r o p h o r e s i s ) 不仅可以测定胞内酶活性，分析同工酶的差异， 并可用于某些酶的分类”“。 另外，超声波降解法”、超速离心技术”和高压液相色谱( h p l c ) ”等也应用于 土壤酶活性的测定。在与动植物、微生物相结合的研究领域，p c r 、r a p d 、r f l p 等 已被广泛应用于探讨土壤生物多样性与土壤酶的关系、土壤酶的分子特征及土壤酶 的合成和利用等方面”“”1 ；在研究土壤酶对物质循环的作用和土壤酶的来源等方面 已开始采用同位素示踪技术。对于土壤酶活性的检测中涉及的土样保存、p h 、缓冲 剂及抑制剂的使用等方面均进行了有效的研究”。 目前还没有理想的方法把土壤中的酶提取出来，以直接显示酶的活性，土壤提 取液中所能测出的酶仅占土壤酶的小部分，所以现有的研究方法一般是用基质的分 解产物数量表示酶活性，这需要较大量的土样。将分子生物学技术用于土壤酶的研 究是未来土壤酶研究的重要发展方向之一，对于探讨土壤酶来源及功能本质有帮助。 土壤酶活性作为肥力指标的可能性多是通过单变量分析予以肯定，个别酶活性 也确实较难全面反映土壤的整体肥力水平，周礼恺等”用聚类方法证明用土壤分布 最广的酶活性总体来表征土壤总体肥力水平是可行的，和文祥等”0 1 采用主成分分析 认为脲酶活性可以明显反映出土壤肥力水平的差异，m o n r e a l ”采用判别分析与聚 类分析来综合评判，建立能够评判农业措旌对土壤健康影响的综合酶活性指标， b e r g s t r o w 等h 23 用主成分分析来解释、评判多种酶活性与有机c 的复杂关系，可见 多元分析的数学方法应用可以更好地分析酶活性与土壤肥力之间的关系。 3 3 土壤酶与檀物的关系 根系分泌物是土壤酶的重要来源。g r a m s 等”( t 9 9 9 ) 通过对照试验，采用分光 光度法和凝胶电泳法测定了菊科( a s t e r a c e a 句的蒲公英( t a r a x a c u mo f f i c i n a i e w i g g o r s ) 和蓟( s o n c h u so l e r a c e u sl ) 、十字花科( c r u c i f e r a e ) 、水芹( l e p i d i u m s a t i v u ml ) 和白芥子( s i n a p i sa l b al ) 、豆科( f a b a c e a 甸的紫花苜蓿( m e d i c a g e o s a t i v al ) 和大豆( g l y c i n e m a x l ) 、禾本科( 6 r a m i n e a 甸、茄科( s o a n a c e a 曲、百 合科( l i l i a c e a 国及婴粟科( p a p a v e r a c e a e ) 等1 2 种陆生植物释放的分泌物对土壤过 氧化物酶、漆酶、f d h 水解的蛋白酶、酯酶和裂合酶等土壤酶活性的贡献。结果表 明，未灭菌土壤种植植物后，土壤酶活性比灭菌土壤种植植物后的酶活性高1 0 以 上，这就意味着有将近9 0 的土壤酶活性可能是通过植物根系分泌物提供的，且根 系分泌的酶在施用化学肥料、干旱和水分胁迫下增加。另外些研究表明，棉花、 小麦、水芹、西红柿、水葫芦等植物能分泌过氧化物酶m 3 ，植物根系分泌物还可为 根际生物提供氨基酸、糖类、维生素等养料，改善了根际微生态环境，间接提高了 土壤酶活性”。同时，植物既能分泌胞外酶，也能刺激微生物分泌酶。但无论如何， 要精确定量植物对土壤酶活性的贡献还很困难。 植物残体( 含凋落物和根系脱落物) 可通过植物残体的腐解释放酶进入土壤，也 可通过对土壤动物和微生物区系的作用而间接影响到土壤酶活性。目前，有关植物 凋落物分解过程中土壤和凋落物的纤维素分解酶、酚氧化酶、多酚氧化酶和漆酶活 性的研究也有报道1 ，这对于了解凋落物分解过程、纤维素和木质素等物质的降解 具有重要意义。尽管k a n d e l e r 等”73 ( 1 9 9 9 ) 发现，土壤一凋落物界面的土壤木聚糖 酶、转化酶和蛋白酶活性在整个土壤剖面上最高，但要定量植物残体分解过程中释 放的酶还是很困难”。 植物根际土壤酶活性的高低对于探索植物对土壤的作用过程和机理具有重要作 用。有研究表明，杉木根际土壤脲酶、过氧化氢酶、中性和酸性磷酸酶、过氧化物 酶活性明显高于非根际土壤”。由于根际土壤在根一土界面生态过程中扮演着重要的 作用，而土壤酶活性与土壤c 、n 、p 、s 等养分元素的转换密切相关，且受到根系分 泌物的影响，所以根际土壤酶研究对于探讨植物对土壤生态系统过程的影响具有重 要意义。 土壤酶活性与植物生长和产量密切相关。有研究表明，杨槐混交林的生长与土 壤脲酶、蛋白酶、转化酶和碱性磷酸酶活性呈显著或极显著正相关。杨丽娟等( 2 0 0 0 ) 发现，菜园地的土壤中性磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性也与黄瓜产量呈 显著或极显著正相关。 不同作物根系土壤中酶的活性，同样有较大差异。土壤过氧化物酶及多酚氧化 酶活性也与植物类型有一定的相关性。土壤中酶的活性与植物生长过程和季节性的 变化亦有一定的相关性，在作物生长最旺盛的时期，酶的变化也最为活跃。 可见，植物对土壤酶的贡献是土壤酶学的重要研究内容，随着研究手段的改进， 有关植物对土壤酶的贡献的研究必将取得新的突破。 3 4 土壤酶与微生物的关系 土壤酶