土壤生态PPT整理 新

1、One of the last great frontiers in biologicaland ecological research is in the soil.Science, 2004, 304 “Fundamentals of Soil Ecology.” 2004.某些主要术语的界定土壤生态学 土壤生物之间及与周围环境相互作用的研究.土壤生物学 相对于土壤物理和土壤化学，以生物个体本身为研究重点的学科.土壤生物化学主要研究包括土壤内的微生物过程、土壤酶及土壤内有机质形成和周转的研究.土壤微生物学 研究土壤微生物及其生态过程的传统学科.微生物生态学 微生物生态学研究的生境包括土壤、

2、植物、 动物、淡水和海洋及沉积物 ，它包含了部分土壤生物学和 土壤生态学的内容.第一节土壤生态学的概念与研究内容土壤的概念生态学家：土壤是地球表层系统中，生物多样性 最丰富，生物地球化学的能量交换、物质循环最 活跃的生命层；环境学家：土壤是重要的环境因素，环境污染物 的缓冲带和过滤器；土壤学家：发育于地球陆地表面能生长绿色植物 的疏松多孔结构表层。第一节土壤生态学的概念与研究内容一、土壤生态学的概念生态系统是一定空间内生物与环境相互作用，不断进行物质和能量流动并执行特定功能的统一体。 土壤生态学是研究土壤生态系统中生物与生物之间、生物与非生物环境之间的相互作用及功能过程的学科。 土壤生态学是研

3、究土壤生态系统的结构、功能及调控规律的学科。 土壤生态学是研究土壤与环境之间相互关系的科学。二、土壤生态学的研究内容土壤生态学的研究内容包括土壤生态系统的结构和功能两部分 土壤生物与非生物组成份的数量、构成及时空分布； 土壤生物的相互作用及其与土壤环境的关系； 土壤生物群落、土壤生态系统的发展和演替； 土壤生物多样性、群落组成与土壤生态功能的关系； 土壤生态系统的物质循环、能量流动和信息交换； 土壤生态系统的退化与生态恢复； 土壤生态系统与其他生态系统之间的相互作用。第二节土壤生态学发展概况土壤生态学是多元起源的交叉学科。在它的形成和发展过程中，既有先驱者的贡献，也与近、现代 生物学、土壤学和

4、生态学及其分枝学科的推动有密切关系，还得益于环境运动的兴起。土壤生态学大致经历了四个阶段，即： 一、感性认知阶段；二、科学积累阶段；三、学科建 立阶段；四、后发展阶段。一、感性认知阶段(19世纪40年代以前)在长期的生产实践中，人类很早就认 识到土壤的重要性；不但注意到了土壤生物的存在及其分布的环境，而且在土壤培肥管理中已不自觉地利用了某土壤生态学过程。二、科学积累阶段(19世纪40年代至20世纪40年代)土壤生态学知识真正的科学积累始于19世纪中期,是在对土壤微生物和土壤动物生态学特性与作用的认识，某些土壤生态学过程的揭示，以及对土壤发生演变的基础上逐步产生的。在这一阶段，达尔文、巴斯德 、

5、道库恰耶夫 、维诺 格拉斯基和腊塞尔等人为土壤生态学早期发展做出了 先驱性贡献。19世纪下半叶，以俄罗斯的道库恰耶夫为代表，从土壤进化观点出发，认为土壤是在母质、气候、生物、地形 和时间五大成土因素共同作用下形成的。19世纪末到20世纪初，微生物在一些重要土壤生态过程中的作用被阐明，确立了自然界N的转化过程(氨化、硝 化和生物固N等)主要靠土壤中各种微生物类群进行。20世纪上半叶，俄罗斯土壤学家威廉斯建立了土壤的生物学观点。英国洛桑试验站的Russell和Hutchinson (1909)进行了一项经典性研究。他们在培养条件下对土壤部分灭菌，发现土壤中植物可利用的NH4+-N和NO3-N有明显

6、增加，主要是来自被 杀死的小型土壤动物特别是原生动物。此项工作开创 了土壤微生态控制系统(Soil microcosm)研究的先河。后来他们还提出了原生动物与细菌相互作用理论：土壤原生动物可以取食细菌，从而对细菌参与的过程乃至土壤肥力产生控制作用。英国洛桑试验站的Culter等（1923）对土壤原生动物态进行了卓有成效的研究工作。证实了土壤中存在 的捕食者猎物关系；而进一步的工作又发现原生动 物(鞭毛虫和纤毛虫)的捕食既可抑制细菌种群，又可能产生促进作用。20世纪20至40年代，土壤生态学研究获得了长足进展。除了细菌外，土壤中栖居的其他土壤生物(如真菌、放线 菌、藻类、原生动物、节肢动物和蚯蚓

7、等)的种群及其作用 也引起重视。在土壤微生物生态方面，开展了不少环境条件和土壤管理 如施用石灰、耕作、施肥以及消毒等对微生物数量、分布 及种群动态的影响研究；并且明确了硝化作用、固N作用 和S的氧化由特定的微生物类群完成，而蛋白质、纤维素、 木质素等复杂植物残体的分解则由多种微生物共同参与。同时，土壤动物生态研究也进入了种类记载、个体和种群生态阶段。在欧美等地对其他土壤动物进行了大量研究。如在欧洲一些国家测定了的土壤线虫种群组成；Nielsen还明确地把土壤线 虫划分为食细菌、食藻、食原生动物和杂食等营养类群。在美国， 研究了节肢动物种群特征及其对凋落物的分解作用;在此期间土壤动物生态研究方法

8、也逐步发展起来，如适于小 型节肢动物分离的Tullgren(1912)干漏斗法和中小型湿生动物 分离的Baermann(1917)湿漏斗法；特别值得一提的是，早在1930年丹麦学者Bornebusch就已 探讨了土壤生物群落的能量和营养关系。他发现土壤动物呼吸量对土壤总呼吸量的贡献一般不到10%.三、学科建立阶段(20世纪50至70年代初)本世纪50年代，土壤微生物学已基本成熟，而土壤 动物学也进入了体系化时代。在土壤微生物生态方面，除了个体和种群生态知识继续增加 外，还开展了植物演替以及凋落物分解过程中微生物区系的 演替研究；菌根、根际微生物与土壤养分转化及植物的相互 作用开始受到重视。在土

9、壤动物生态方面，50到60年代先后发表了土壤动物在土壤肥力和有机质分解中的作用及研究方法。还进行了土壤动 物微生物相互作用对有机物分解的影响研究。从土壤生态学过程的研究上看，在室内培养和野外条件下对 植物残体分解过程和养分释放开展了大量的工作；N的矿化与 生物固定的内循环过程得以阐明；而土壤植物系统中物质 循环和能量流动的研究也已经开始；此外，土壤发生过程与植物、土壤动物和微生物的关系也成 为土壤生态学研究的重要方面。这一阶段的土壤生态学研究 还受到了新技术和新方法的推动，如同位素(134Cs,15N和14C 等)示踪技术和网袋法在研究植物残体分解中的应用。上述工作为土壤生态学的形成奠定了基础

10、，而土壤生态学作为一门相对独 立的学科的出现还得益于六十年代全球环境运动的兴起，现代生态学的推动以及重大生态环境研究计划的实施。全球环境运动与生态学的兴起和土壤生态学的建立、现代生态学为土壤生态学的形成提供了很多营养 首先是促进了土壤生态系统概念的形成。从现代生态学观点出发，认识到土壤是由生物和非生物环境构成的复杂体系，是陆地生态系统的重要亚系统，具有特定结构、发生着各种相互作用和功能性过程。再者，生产力测定与能流分析法、物质循环原位定量研究法和生态系统建模等现代生态学研究法在70年代以后的土壤生态学研究中也广为采用。1965年，为期十年的国际生物学计划 (IBP)开始实施。土壤生态学在这项庞

11、大的研究计划中占有重要的位置，研究内容包括不同陆地生态系统的根系生产力、凋落物及分解作用、土壤呼吸、土壤动物和微生物群落结构与动态、土壤次级生产力与能流分析等，这些工作加深了对土壤生态系统结构和功能的认识 。许多国家也都组织了以生态系统为研究对象的大型综合研究计划，如比利时、英国、前西德、美国及瑞典等。这些计划针对世界上一些生态系统的物质循环和生物生产力开展了许多观测和实验工作，并开始大量地建立模型，用系统分析的手段进行了生态系统功能过程的研究。在IBP执行期间先后召开了两次土壤生态学的专门会议。1967年由联合国教科文组织和IBP主持在巴黎举行了“土壤生态学研究方法”国际学术讨论会。会议对土

12、壤生态学的研究进展，特别是土壤生态系统的生产力与能流等研究方法、技术进行了初步的统一。在这次会议上荷兰学者Van der Drift提出了土壤生态学是研究土壤生物间、土壤生物与有关的非生物环境间相互关系的学科，其最终目的是认识土壤中复杂的生物群及其结构和功能。这一概念后来被较多的土壤生态学者所接受。1968年，国际系统分类联合会在英国伦敦召开了“土壤生态系统：生物和群落系统”研讨会，标志着土壤生态学已从定性描述为主发展到定量的、系统性的学科阶段。这样，经过一个多世纪的积累和发展，土壤生态学学科在本世纪70年代初正式确立。其主要标志是对土壤生态学的基本概念和研究范畴有了科学的界定；理论和方法上也

13、初步形成体系。这个时期几本专著的出版，包括：William (1973)：Soil Ecology：A Guide to the Study of Soil Ecology；Richards (1974)：Introduction to the Soil Ecosystem； 以及 “Methods of Study in Soil Ecology” (Phillipson,1970)，可以认为是对该阶段的总结。四、后发展阶段(70年代初至今)70年代以后，土壤生态学进入了一个新的发展时期，在研究广度和深度上都有较大的拓展。这一时期也可称为土壤生态系统研究阶段。生态系统的理论和方法在土壤生态学

14、研究中得到应用和发展；而且土壤生态系统结构与功能相结合的整体性研究以及土壤系统与其他系统相互作用方面的工作也明显增多。从土壤生态系统结构研究来看：在IBP基础上进一步明确了主要土壤生态系统中动物种群和群落特征；对某些土壤动生物类群如蚯蚓、原生动物、线虫和小型节肢动物的种类、营养结构、生活史和行为有了更多的了解；由于土壤微生物定量技术的突破，土壤微生物生态尤其是微生物量研究再度趋向活跃。 土壤生物多样性问题也日益受到重视，新技术方法如分子生物学显示出良好的应用前景。80年代以来，土壤生态系统中生物的相互作用研究十分活跃，并取得重要进展。涉及到土壤动物之间、土壤动物与微生物之间、土壤动物-微生物-

15、根系之间的相互作用。大量的室内和田间试验结果表明，土壤生物间存在着复杂的相互作用，形成了不同于地上部的食物网；土壤动物-微生物的相互作用不但对生物种群起调节作用，而且对有机质分解、养分周转与循环乃至植物生长也有重要影响。土壤生态系统结构包括生物功能类群以及食物网水平上对干扰(如化学杀生、耕作和冻融等)的反应是80年代后开展的另 一项重要工作。例如，在有原生动物(变形虫)和食细菌线虫的体系中，细菌种群受到抑制，但土壤代谢活性和N、P的矿化提高。一些研究者还发现原生动物或线虫等与微生物的相互作用促进了植物对N的吸收和干物质积累；此外，小型节肢动物(螨类和弹尾虫)对真菌种群的调节作用也有报导。综合这

16、些研究结果的主要结论是，土壤动物可抑制或促进微生物种群数量，但往往提高其活性，对养分的循环过程有促进作用。近年来，也开展了不少田间条件下土壤生物相互作用研究，以检验和补充室内取得的成果。 例如，用选择性杀灭或抑制某些目标生物的方法实地探讨这些生物的功能。Hunt等(1987)和Elliott等(1988)的研究指出，美国中部矮草草原土壤碎屑食物网中真菌和细菌是土壤N矿化的主要功能类群，但原生动物、线虫和小型节肢动物对N矿化的贡献可达40%；顶部捕食性小型节肢动物尽管种群很低，但对底部生物以及整个食物网起重要调节作用。根际微生态系统中土壤动物微生物根系相互作用是另一重要研究领域。初步结果显示，根

17、际中发生着活跃的生物相互作用，并对养分的周转和循环等过程产生重要影响。土壤生态学的研究方法和技术也取得了新的进展。同位素示踪技术在土壤生物相互作用和能流、物流等研究中广泛应用；仪器分析的快速发展也为土壤生态学的发展提供了机遇，例如，扫描和透射电镜技术、荧光(免 疫)显微技术和土壤薄片技术在分析、鉴定土壤生物和养分的微域分布和作用方式等方面发挥了重要作用；各种分子生物学技术为生物多样性研究提供了工具；土壤生态模型方法得到一定的发展；而由土壤生态学家发展起来的土壤微生态控制系统技术(Soil microscom)在研究土壤生物相互作用及相关的功能/过程与机理方面已成为最核心的实验技术。除了与生态系

18、统结构以及生物相互作用相结合的工作外，土壤生态系统功能研究还包括以下几个方面：物质的输入、输出及平衡状况研究。包括微域和区域等不同空间尺度，已基本阐明了主要元素的来源、去向或迁移途径；养分循环过程及其格局的研究。养分通过动植物的再循环和矿化生物固定内循环过程为核心内容。全球性生物地球化学循环格局研究也开展了不少工作。土壤生态系统的能流研究。分析了土壤生物(尤其是土壤动物)及其功能类群对能流的贡献，部分工作已接近食物网水平，但仍属薄弱环节。土壤生态系统功能的退化与恢复研究，包括人为和自然因素导致的退化和恢复问题，涵盖了主要的土壤生态过程；土壤生态系统对全球变化及人为干扰活动的响应与反馈研究，如在

19、温度升高、CO2浓度增加、生物多样性丧失、生物入侵及土地利用方式变化等，土壤生态过程与全球变化的关系；土壤生态系统与其它生态系统之间关系的研究，如以根系为纽带的地下部和地上部群落相互作用研究，以元素循环为纽带的陆地大气水域生态系统的生物地球化学循环研究；土壤生态学对环境问题的关注是另一个重要特点，主要包括有毒有害物质在土壤中的分布、迁移和循环及其对土壤生态系统结构和功能的影响，土壤生物在土壤净化中的作用，土壤生物作为环境污染或退化的指示者等。土壤生态学方面的研究报告主要发表在（中文）生态学报、土壤学报、应用生态学报、生物多样性、生态 学杂志、土壤及有关微生物、植物和环境科学类的学报上；（英文）

20、Ecology、Okios、Oecologia、Journal of Applied Ecology、Ecological Application、European Journal of Soil Biology、Functional Ecology、Global Change Biology、Soil Biology and Biochemistry、Microbial Ecology、Biology and Fertility of Soil、Plant and soil、Pedobiologia、 Agriculture, Ecosystems and Environment和Plant

21、 and Soil刊物上。1994，Applied Soil Ecology正式发行。第三节土壤生态系统:结构与功能The term ecosystemwas coined by the British ecologist A. G. Tansleyin 1935. He used it to define a unit that covers all organismsof a given area as well as their relationship to the inorganic environment. 􀂃The organisms within an eco

22、system form a biocenosis, their inanimate environment is called a habitat. The totality of all ecosystems on earth is called the biosphere. 第二章 土壤生物的生境第一节土壤物理生境 土壤质地土壤质地是指土壤中不同大小颗粒砂粒sand (0.052.0 mm),粉粒、silt (0.0020.05 mm), 黏粒clay(<0.002 mm)的相对比例。土壤质地，一般分为砂土、壤土和黏土三大类。土壤质地主要继承了成土母质的类型和特点，是较为稳定的自然属

23、性。 土壤质地与土壤持水性能、阳离子交换量植物和生物养分的短期库有关；因此土壤质地的重要性在于它（黏土矿物的类型和数量）决定了土壤保持水分和养分的能力。 质地的测定实际上就是颗粒组成的测定土壤结构 土壤结构是不同大小的颗粒结合或团聚形成具有一定稳定性的土块或土团。稳定（力稳、水稳）团聚体的形成需要物理、化学和生物学因子的相互作用。土壤结构的稳定性常用土壤大团聚体的比例来反映。 一般将直径大于0.25mm的团聚体视为大团聚体。土壤结构主要不仅受到成土母质的影响，而且也是人类可以调控的属性。重新认识土壤结构的重要性土壤结构很早就被认为是高肥力和高生物活性土壤的标志。良好的土壤结构能够促进水气流通、

24、利于土壤生物的迁移，从而增加营养交互的机会；当然，也有利于根系的生长。土壤结构受到土壤生态学家的强烈关注，其重要性不仅决定了土壤水分和养分的分布和保持能力，而且其创造的孔隙分布也决定了土壤生物能否获得栖息空间。土壤水 土壤水使得土壤成为适合生物栖息的生境。几乎所有的土壤微生物及微型土壤动物都具有湿生生物的特点，即使生活在孔隙的节肢动物通常也对干燥非常敏感。 土壤水分含量通常用来表征土壤水分状况。注意土壤水势比质量含水量和容积含水量更能准确表 征土壤生物和植物的水分状况。土壤持水量是表征土壤能够吸持最大水分含量的一个指标，一般是田间持水量和植物永久萎蔫土壤含水量的差 值。土壤质地（黏土矿物的类型

25、和数量）、土壤结构及有机质是重要影响因素。第二节土壤化学性质土壤有机质 土壤有机质的数量和质量是土壤生态系统的重要性质。对于土壤生态学家来说，土壤有机质的重要性不仅在于它是土壤结构、土壤养分的决定因素，更在于它是土壤生物的碳和养分来源。土壤有机质的分解和转化是土壤最重要最普遍的生态功能。现在，土壤有机质含量已经不仅是土壤肥力水平的代表，而且对环境保护具有重要意义，例如土壤有机质影响污染物的行为，其中的有机碳在温室气体减排中的地位更受到关注。土壤无机矿物质 土壤矿物质主要由岩石中的矿物风化而来。在成土过程中，氧、硅、碳、氮等增加而钙、镁、 钾、钠等减少。 虽然至少16种元素为植物生长发育所必需，

26、但是土壤氮、磷和钾是需求量较大的元素。土壤养分循环是土壤生态学研究的重要方向。虽然通常用土壤养分的有效性来表达土壤肥力水平，但是土壤肥力包含除养分外的更多因素。 注意区分土壤养分、土壤肥力、土壤质量和土壤健康等 评价土壤生态系统状态 的概念。土壤pH 土壤pH也受到土壤生态学家的关注，pH能够控制养分的 有效性（例如磷的有效性）并直接影响土壤的活性(例如酸性土壤的铝毒）。 土壤酸化来源：（1）CO2溶于水形成碳酸；（2）微生物氧化铵形成硝态氮的过程；（3）酸雨、火山喷发、雷电形成硫和氮的氧化物及长期的风化淋洗过程；（4）含酚类和羧基功能团的有机物分解过程。大部分土壤微生物所能忍受的pH范围是4

27、-9；土壤动物对 pH也非常敏感，如蚯蚓在酸性土壤中数量很少，而线蚓则较多。在大部分景观内，由于自然成土过程和人类活动的影响，土壤类型都变化多样，反映出高度的空间变异格局。对于土壤时空变异的重要性仍需要充分的认识。实际上，时空变异意味着土壤生态过程及生物在其中的地位都因具体条件而异。换句话说，土壤生物的作用及影响因素研究在不同理化性质的土壤内都可能完全不同。第三节 生境的时空变异由于自然障碍对迁移的限制及气候的敏感性，多数大型动植物都有一定的地理分布范围，且我们现在也基本了解物种的全球分布格局。微生物多样性的地理分布格局和控制因素至今不清楚，一种流行的观点是微生物属于广布种。比较有说服力的证据

28、来自澳大利亚湖泊沉积物的原生动物研究。另一种推测是微生物也会呈现一定的地理分布，这种分布反映了微生物对特定环境条件的响应。 土壤生物的多度和活性在水平和垂直方向的表现出高度的空间异质性。由于不同的生物对土壤条件的响应方式不同，不同类群的生物表现出不一样的空间分布格局。种空间异质性可以在几毫米到几百米的尺度上表现出来，一般与土壤性质相联系。迄今，有关土壤生物空间分布的研究很少，这是因为空间变异在过去的研究中通常被认为是影响研究结果的随机误差。然而，研究土壤空间异质分布对我们了解土壤生物群落的发展、多样性的形成及土壤生态功能的影响因素都至关重要。地统计学（Geostatistics）为空间异质性的

29、定量化及可能原因探索提供了便利。 例如，土壤生态学的最重要课题之一便与空间异质性的密切相关。土壤生物多样性为何很高，原因或调控因素？土壤生物多样性的成因：可利用资源的空间异质性分布可能是不同尺度上土壤生物多样性形成的重要原因。此外，土壤生物异质性分布导致的空间隔离也在很大程度上决定物种之间能否共存，从而影响土壤生物群落结构。因此，不同管理方式（土地利用方式、耕作与水肥管理方式、种植制度与作物品种等），因其对土壤空间性质的影响尺度不同，可能对土壤生物多样性的影响也不同。除了水平空间变异之外，实际上土壤生物在土壤剖面内的垂直变异研究也愈加受到重视。虽然表层土壤仍是土壤生物的聚集的区域，但是亚表层土

30、壤生态学可能会成为一个重要研究领域，归结为两方面的原因：1）亚表层土壤在地下水质量、温室效应等方面愈来愈受到认同；2）最新的技术使深层土壤环境研究成为可能。生境的时空变异土壤的四维性：土壤系统在不同尺度都存在强烈的三维空间变异，并且同时在不同时间尺度上也存在着第四维变异。来自于1m距离之内的3个土壤切片，从中可以看出土壤孔隙的空间变异。土壤生态学研究的尺度问题土壤是地球上最复杂的物理环境。土壤孔隙等高度的空间异质性为生物提供了不同的栖息环境，这提醒我们了解土壤生物必需注重尺度的选择。观点：土壤可视为一个异质的生物景观。不同微域由于不同的理化条件而支持不同的生物。因此，整个土体的生态功能并非是所

31、有微域的简单平均。最著名的例子是根际rhizosphere和土体bulk soil的截然不同。第三章土壤生态系统的初级生产者 凋落物和根系从前面的介绍中我们知道，土壤生态系统的生物组份和非生物环境是相互联系的有机整体，它们的构成、时空分布及其相互作用决定着土壤生态 系统的结构特征。结构/组成的分析是研究土壤生态系统中相互作用和功能的基础，对利用和保护土壤生物及非生物资源、改进土壤管理具有实际意义。土壤生态系统的初级生产者是指能利用太阳能或简单无机物质制造食物的自养生物，包括绿色植物、土壤藻类以及某些光能和化能自养细菌。 高等植物主要通过地上部的凋落物和地下部的根系为土壤生物提供能源和物质，即植

32、物和土壤生态系统进行着频繁的物质和能量交换；植物生长及其合成代谢产物在凋落物和根系上均有所反映，对土壤生物成份及非生物环境有重要影响。在陆地生态系统中，除了植食者爆发等少数情况外，凋落物是植物净初级生产力的最大去向，尤其在林地中。叶片是凋落物的主要形式，某些地区桉树林内的树皮也比较重要。凋落物的数量一般反映了地上部初级生产力的大小，当然因气候、土壤湿度、土壤肥力、纬度和植物种类而异。注意土壤碎屑食物网的食物资源除了凋落物和根系外，还有一种来自地上部的间接凋落物，主要来自大型牧食者、小型植食者及更高营养级的排泄物与尸体。凋落物研究 凋落物不仅是能量和物质的来源，更是重要的土壤生物的生境。在森林土

33、壤生态系统研究中，有关凋落物分解的研究最为普遍。包括凋落量、现存凋落量、凋落物性质、分解和矿化过程的研究。凋落物性质：凋落的理化性质是影响分解进程和土壤生物群落的重要因素，主要包括养分如N、P及可溶性碳水化合物、纤维素、木质素、蛋白质、氨基酸、脂类、酚类、 丹宁及叶片硬度等的测定。凋落物的质量也受到多种因素的影响。尼龙网袋法(litter bag method) 操作简单，是野外测定凋落物分解速率最常用的方法。除此之外, 在室内控制条件下的缩微试验(microcosm experiment) 也得到了广泛应用。目前普遍采用的衡量凋落物分解速率大小的指标主要有CO2 释放速率、凋落物分解系数(

34、k 值) 及质量损失率。 凋落物分解过程 的理论模型（指数方程）：在分解初期凋落物损失最快。.的研究最常用尼龙网袋法。不同类型土壤动物对凋落物分解的影响可以用不同孔径大小的网袋进行研究。例如，孔径5mm的网袋允许所有土壤生物（微生 物、微型、中型和大型土壤动物）进入；孔径2mm的网袋排除了大型土壤动物；孔径0.1mm的排除了大型和中型土壤动物；而孔径0.05mm的仅仅允许微生物进入。森林凋落物分解是森林生态系统养分循环的重要环节，而分解过程中释放的CO2是全球碳收支的重要组分。凋落物分解速率的预测指标可分为3类，即环境指 标(如实际蒸散量)、凋落物物理质量(如叶抗张强度)和化学质量指标(如C/

35、N比、木质素/N比和C/P 比等)。 虽然土壤生物群落（分解者：微生物和土壤动物）也是影响分解过程的重要因素，但是有关分解预测模型尚没有包括它。凋落物分解过程中养分释放机制极其复杂, 因凋落物种类、分解阶段和元素本身性质的不同而异凋落物混合分解并非单一种类分解的简单叠加, 因基质的化学组成影响分解者的多样性、丰富度和生理活性, 进而影响其分解速率; 凋落物混合分解中可能存在无效应、促进效应和抑制效应。全球变化（如全球变暖、大气CO2浓度升高、UV-B辐射增强、氮沉降、生物多样性下降）等对凋落物分解产生直接和间接的影响。全球变暖通过增强土壤微生物活性而加速凋落物的分解。 虽然全球变暖对凋落物化学

36、组成的直接影响不大，但可以通过影响植被的物种组成来间接改变凋落物的产量、化学性质和分解。CO2浓度升高增加凋落物产量, 并通过影响凋落物质量 (提高C /N、木质素/N比等)和生物群落(微生物数量和活性)而影响分解过程。研究显示, CO2浓度升高下, 植物群落组成变化对养分循环的影响远大于单纯CO2浓度变化的影响。对凋落物分解在森林生态系统C、N、P 循环、土壤肥力维持等方面已进行了较深入的研究。 未来研究应侧重以下方向: 长期的定位观测; 采用相对统一的研究方法, 获得可比性强的数据进行综合; 深化凋落物分解机理研究; 探讨全球变化对森林凋落物分解的影响; 评价人为措施对凋落物分解与养分释放

37、的调节作用。根系一、根系结构、种类和功能简介根的基本结构Root hair外部特征：Branch root Lateral root Cell enlargement area Extension zone根的基本结构Epidermis Corte Stele Vascular rays一、根系结构、种类和功能简介 根的种类：胚根和主根: 植物种子胚中与胚芽对应的原根称为胚根, 种子发芽后胚根伸长便形成主根;不定根：除种子外，植物茎、叶部也可形成根，这些根统称为不定根,包括节根和冠根；侧根：主根和不定根伸长并分枝后形成侧根；特殊根：有时植物根的形态和机能会发生特异化而形成特殊种类的根如贮藏根、

38、气生根和菌根等。根的种类 生态学研究中还经常根据根的直径大小进行分类，以反映不同级别根的结构分布与功能。基本分成两类，一类是粗根(Coarse root)，指直径2-5mm的根；另一类是细根(Fine roots)，直径在2-5mm以下，细根的周转期一般认为是1年左右（<1-3年），但可能更长一些。根的基本功能除了吸收水分和养分、固着和支持植物外，还具有以下生态学功能：1)根为土壤生态系统提供了初级能量来源，对土壤生态系统的的碎屑食物网及生物组成份有决定性作用；植物根在生长发育和新陈代谢活动中进入到土壤中的分泌物、脱落物及死亡残体数量很大；2) 根是连结地上生态系统和地下生态系统的主要纽

39、带；(一般地，根系对土壤的总体作用大于植物地上凋落物) 3) 根域（根际）微生态系统中发生的生物相互作用以及根际动态过程十分活跃，对土壤生态系统能量转化和养分周转以及植物生长发育有重要影响；4) 根对土壤生态环境的改善作用。植物根通过直接和间接的物理、化学和生物学作用对土壤性质产生显著影响。(根系生物量、分布、根系呼吸及根际导致的生物、物理和化学过程已经成为全球变化生态学中备受重视的研究领域。)提问 凋落的理化性质主要包括那些指标？ 尼龙网袋法研究凋落物分解的缺点？ 根系的生态功能有哪些（至少4点）？二、根系的属性1)构型 (topology) 根系在生长介质中的空间分布，实质上主要反映的 是

40、主根和侧根的相对构型。根系构型如同地上部的枝条一样复杂。不同植物根系的差异非常大，虽然不少研究者尝试区分，但至今没 有普遍接受的结果。根（构型）的类型基根(即基部侧根)的生长初始角度(即基根与土壤水平面的夹角)来确定根构型类型: 当大部分基根初始角度小于40°时, 为浅根型; 初始生长角度大于60°为深根型; 介于浅根型和深根型之间的类型为中间型（下图）。排根(Herringbone)和叉状分枝根(dichotomous);根构型的研究 根构型决定了根系与土壤接触的面积，与土壤对资源的利用密切相关，如排根对土壤资源(特别是P)的利用 更有效;根构型具有可塑性(plastic

41、)，对于根系吸收异质性分布的养分具有重要作用;根构型也受到微生物的强烈影响，例如，外生菌根在根尖形成真菌鞘, 抑制根系伸长。 根构型的研究目前根构型研究存在不少技术上的困难，现有的方法取样和测量过程既耗时费力、又存 现根系的原位取样和准确测量2）大小根系的size/mass是指单位面积上植物根的总干物质量;根系的size/mass是非常重要的信息，但是测定却非常困难，特别是很多根系下扎较深或细根难以获得；不同陆地生物群落的根系生物量和垂直分布明显不同根系生物量测定的方法主要有挖掘收获法、土钻法和间接估算法等。前者虽耗时费力，但目前却是最为准确的方法。土钻法较为方便，木本和草本植物根系测定均可使

42、用，但钻孔的数量和位置的设定十分关键。有时考虑到实测困难，可用间接法估算。即假设植物根系/地 上部有一定比例关系(多在0.2-1.0之间)，由地上部分的生物 量推算出根系生物量。根系动态/周转的研究方法通过季节性挖掘、洗涤及分拣活根和死根来估计根系生产量传统的方法费时而不准确；90年代初发展的Minirhizotron方法通过联系数码照相可以原位的、动态的监测根系动态（生长和 死亡）；另一种方法是碳同位素示踪技术，如通过标记及 随后监测根系14C和13C的含量变化。Minirhizotron（微根管或微根窗）测定根系动态Minirhizotron技术主要由透明观察管、观测设备 和记录设备组成,

43、观测设备曾先后使用了普通镜子、观察镜和相机, 记录设备也相应地经历了手工 绘制、传统黑白、彩色相片以及高清晰数字图像. 同时, 还开发了多种图像自动分析系统, 使该项技术日臻完善.Minirhizotron技术可以以非破坏方式, 定期对同一根系的出现、生长、衰老和消失进行连续观察,对根系伸长、根系密度、扎根深度、侧根伸展、分枝特性、菌根特性以及细根动态、根系生命周期和分解等进行观测研究。根的主要形态学指标重要性：不同植物之间、同种植物的变种以至个体之间根的形态变化甚大，而至今却知之甚少；定量研究根形态学有助于认识根在土壤生态系统中的作用，也是精确定量能流和养分流所必需的。 根的主要形态学指标

44、根的直径：衡量根的粗细或大小的指标，能部分反映根 的种间差异或发育阶段； 根的长度：根在空间伸展的绝对长度。具体地可分别用 主根长度、侧根长度和根总长度等衡量；根密度：单位体积的根所含有的各级根的总数目；根的表面积和体积：当研究根对水分和养分吸收以及其他根-土界面相互作用时，根表面积是一重要参数；根形态学的主要研究方法 如钉板法、容器法、气培法、管栽法、网袋法等, 需要先进行破坏性取样, 使根系与土壤分离开来, 然后进行人工测量；必需利用自动化的方法才能让人承受, 如根系图像分析软件WINRHIZO(Regent Ins Inc，Canada)能够一次测定大量形态学指标，如根长、根表面 积、平

45、均直径、根体积、根尖条数等。3) 根系深度 根系下扎总长度因植物种类 (trees>shrubs>herbs>crops)、生长发育阶段、地理区域以及土壤条件而异，热带根系深度总体上高于寒带。通常认为根系都集中在表层土壤，不过实际并非如此：活性根系的深度对于植物吸收水分等在干旱环境下尤为重要由于对于深层土壤内微生物活性所知甚少，所以我们现在还 不太可能去评估深层土壤根系在碳和养分循环方面对于全球变化的影响。三、根际 rhizosphere根际的范围一般距根1至数mm，因植物根的类型和土壤环境条件而异。根际(rhizosphere)的概念最早由Hiltner(1904)提出，专

46、门用来表达细菌和豆科植物根系的相互作用。但后来该术语的使用范围大大扩大了。1）根系碳淀积(rhizodeposition) 根分泌、溢泌的单糖、多糖、有机酸和氨基酸等有机化合物可能多达数十种，总量可达植物光合产物的10%；随根系衰老、细根、根毛和衰老细胞脱落进入土壤， Bowen(1993)估计其总量超过根分泌物和溢泌物。这些物质一方面改变了土壤的化学组成，另一方面为根际生物提供了丰富的能量和营养来源。Root exudates：amino acids氨基酸(proteins)，keto acids (TCA cycle)，vitamins(enzyme co-factors)，sugars

47、(C and energy)碳同位素法研究根系碳淀积14C标记A wide variety of carbon compounds is released from living roots to the soil via several2） 根际的微生物效应 细菌的根际效应较高(5到20, 某些情况下能够 >100) ， 而真菌的根际效应相对较低; 根际土壤中微型土壤动物如原生动物和线虫等也较为丰 富，可能与它们取食微生物的特性有关;培养计数法获得的多数资料表明，根际微生物中以G-的杆菌占优势，其中最重要的一个属是假单胞杆菌属 (Pseudomonas) 。Generally, we

48、use R/S ratio to show the rhizosphere effects;R/S ratio - indicates the importance of the root system to the microbial community;R the number or biomass of microbes in the rhizoshphere.S the number or biomass of microbes in root-free soil.3）根际的化学效应氮源和植物种类对根际pH的影响. 土壤用溴甲酚紫指示剂浸泡 . (A) pH 标准矫正对照; (B)玉米

49、根系分别施用67 mg N kg1 soil 硝酸钙 (left) 和硫酸铵(right); and (C) 大豆和鹰嘴豆施用 83 mg N kg1 soil硝酸钙后的情况.水稻根系被氧化铁包被情况。(a) 根系生长在含硫酸亚铁和硫化钠的琼脂溶液中； (b) 根系生长在含硫化亚铁的砂培营养基质中。4）根际的物理效应 Roots, especially rhizosphere, contributed most to soil structural stability 。第三章土壤微生物-细菌和真菌 真菌和细菌(含放线菌) 是土壤生态系统最重要的生物组分和分解者; 在土壤生物中，真菌和细菌不仅

50、在数量及生物量上占绝对优势，而且在有机物质分解以及相关联的养分再循环和能源流动过程中起关键作用; 大量微生物的存在及其活性，是土壤肥力保持和土壤发生演变的活跃因素，也是土壤具有净化机能的主要原因;真菌和细菌还与初级生产者有直接或间接的广泛联系。主要内容1.细菌和真菌类群的基本性质2.土壤微生物的生态功能3.土壤微生物学指标简介1. 1 细菌基本性质原核细胞生物，最简单的微生物细胞；基本形态：球状、杆状和螺旋状；表示细菌大小通常用微米（µm），细菌细胞的直径一般在0.51µm，长为12µm；细菌细胞的体积小使之具有特殊优势，比表面积大使其能更有效从环境中交换营养；球

51、菌比杆菌或螺旋菌更能在严酷的环境中生存。快速生长、繁殖的能力意味着细菌能迅速适应环境变化，这在生态、环境中具有重要意义；细菌能在大部分土壤中行自由生活，数量巨大（每克土1010个），种类繁多，代谢类型丰富多样；土壤中的细菌大部分经常处于一种限制性的饥饿状态，会变成直径小于0.3 µm发育不全的细菌，但是在条件允许时会迅速爆发；细菌在固体培养基上生长，几天内可形成聚集在一起的细胞团块：菌落(colony)，注意肉眼可以看到的菌落大约由100万个细胞组成！细胞被膜 所有细菌都有多层结构保护以免受到外部环境的损害，这一系列多层结构统称细胞被膜(Cell envelope)，主要由糖被、细胞

52、壁和细胞膜组成。糖被(glycocalyx)是包围细胞壁的大分子外衣，外衣可能是：1）黏液层(Slime layer)，碳水化合物的疏松的非正式聚合物；2）荚膜(Capsule)，结合在细胞壁上的坚韧的蛋白质层。细胞壁所具有的坚韧的保护性主要依靠大分子肽聚糖，细菌的两种细胞壁类型分别是革兰氏阳性(GP)和革兰氏阴性(GN)。 糖被-微团聚体 胞外多糖胶结粘粒形成微团聚体1.2 放线菌(Actinomycete) 放线菌是原核微生物，但是其特殊性使得它经常与细菌分开探讨；从形态上放线菌更像真菌，细长的细胞分之成丝状体或菌丝，但比真菌的菌丝细，前者大约1-2 µm，后者在10-50 &#

53、181;m之间；放线菌细胞壁含有N-乙酰胞壁酸与二氨基庚二酸，而不含几丁质和纤维素；放线菌不仅产生抗生素、酶和维生素，而且具有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂和角蛋白的能力，在物质循环和土壤质量中具有重要作用。1.3古 菌(Archaea) 古菌不仅在细胞化学组成更是在分子生物学水平和系统发育上不同于细菌和真核生物的一类特殊类群； 用现代分子生态技术和稳定同位素示踪技术相结合的手段研究了水稻根际碳循环的关键微生物种群，在水稻根系发现了一组新古菌的产甲烷功能。这些发现对阐明稻田甲烷释放机理有重要意义。新研究发现“水稻Cluster I 古菌(Rice Cluster I Archaea)”是碳产生甲

54、烷的一个主要生产者。水稻Cluster I 古菌还没有在实验室条件下被分离和生长过，他们的研究应该对生物地质化学家、环境微生物学家、植物/土壤科学家以及大气化学家有意义。1.4 真菌的基本性质 真菌是真核微生物，主要包括霉菌、酵母菌和担子菌；真菌的分类多样性不断变化，已知真菌超过72000种，真正的土壤真菌大约15000种；真菌以形成菌丝体获取资源而著名，都是异养的，并且能够产生大量的酶类，在降解植物多聚物纤维素和木质素以及其他复杂的有机大分子方面特别重要，真菌的生物修复潜力很大除了酵母菌外，大部分真菌都是好氧的；真菌对水和酸度的耐受力与细菌不同，注意酵母菌是适应液体环境的单细胞子囊菌；真菌的

55、适应能力强，几乎能在所有的生境和基质上生活；通过孢子的传播能力也很强；真菌细胞壁主要成分是多糖，其次是蛋白质、类脂；真菌细胞壁多糖主要有几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚 糖；低等真菌细胞壁以纤维素为主，酵母菌以葡聚糖为主，而高等真菌则以几丁质为主。真菌常见于稳定的共生体中，与绿藻或蓝绿藻共生形成 地衣(lichen);地衣是重要的土壤开拓者，在土壤，特别是受到干扰土壤或裸地的形成和稳定中具有重要作用； 真菌的利弊。真菌生态类型多样，大小范围很广，生长速率变化很大，但一般不及细菌那样生长迅速；但从土壤生物量看，真菌一般占优势，特别在贫营养土壤中，真菌是营养库的重要组分；土壤真菌的体积有些在显微镜下

56、才能看到，而有些能覆盖15hm2；真菌的数量可由生殖繁殖体(CFUs，每克土壤104-106菌落形成单位)或菌丝长度（每克土壤100-1000 µm）来估算。 2.土壤微生物的生态功能 主要土壤微生物功能类群；土壤微生物在有机物分解和养分矿化过程中的地位；有机物分解过程中微生物群落的演替。化能自养细菌自养硝化细菌Very pH-sensitive (pH> 5)Since they produce acid, they are self-limitingHowever, nitrification has been observed in very acidic forest

57、soils (pH 3.5)，maybe nitrifying bacteria live in soil refugia or hetertrophic nitrifiers (not pH sensitive)硫氧化细菌 ：most important of chemautotroph mineral oxidizers (Sulfide minerals) 酸矿水形成的原因之一。 硫还原细菌：金属回收和煤的脱硫异养微生物土壤生物中最大的类群 虽然微生物本身仅占土壤有机质的很小部分，但它是活着的有机体，行使物质转化功能（Stevenson，1986），有机质转化所需能量的95%以上来自微生物的分解作用。异养微生物基本特点介绍1.分解者在分解和养分释放中具有重要作用细菌: 好气（氧）和厌氧类型均存在一般喜欢的酸度在pH (>5.5) 大多存在于农田、草地及含有细腐殖质的林地土壤内 真菌: 酸性土壤、森林土壤表层、特别是凋落物及半腐解层一般富含真菌:Tolerate low pH, and are therefore most important in decomposition in acid forest soilsTolerate dryness, and therefore occur in most situations.2.1 自生固氮者: 未与根系形成