第九章 水稻田土壤微生物学

第九章

水稻田土壤的微生物学泡水条件下的水稻田土壤是微生物的一种特异生态环境，在某些方面，它的生物活性比旱地表现得更为旺盛，各种生物的和生物化学的变化非常复杂而频繁。泡水以后土壤的物理化学条件起了变化，土壤微生物群社的特征也随之而变化。好气性微生物减少，兼厌气性和厌气性微生物发展，土壤中氧化还原电位(Eh)同时降低，pH也有一定的改变。这些变化反映在土壤剖面特征上，并使水稻土耕作层分为明显的两层，即氧化层和还原层。这种剖面特征与作物的生长发育有密切关系，也使水稻田土壤微生物活性具有特异性。第一节水稻田土壤耕作层的还原化过程和微生物类群耕作层的还原化过程水稻田土壤大部分时间是在泡水状况下，水层隔断了氧气和土壤的接触。特别是在绿肥等大量有机物质翻耕进入土壤以后，微生物进行旺盛的呼吸作用，使耕作层中氧的消耗量超过了供应量，为厌气性和兼厌气性微生物的发展创造了条件，逐渐进入发酵作用为主的有机质分解过程。由于缺乏氧气，微生物以土壤中的各种氧化物(如硝酸盐和硫酸盐等)中的氧和有机质分解的中间产物作为受氢体，这就是水田土壤中进行的“还原化过程”。在这一过程中，物质转化和微生物类群的更替是一致的。高井等将水稻田土壤的还原层形成过程分为两个主要时期，以铁的还原作为标志，在铁还原以前称为前期，铁完全还原后称为后期。在前期，氧气消耗很快，大量释放CO2，细菌数量达到高峰。同时硝酸盐消失，锰和铁离子被还原，土壤Eh值迅速下降。在第二阶段中，形成有机酸、CH4、H2和H2S，厌气性细菌的数量增长。在这两个时期中，从O2的消失到CH4的形成可以分为7个阶段。稻田泡水以后l天或几天内O2就消失了，还原过程开始时Eh值为0.6伏左右，到了最后沼气生成阶段就下降到负0.19伏左右。在前期Eh都是正值，到了后期硫酸盐还原阶段后，降到了负值。这时专性厌气菌活跃起来，梭菌属在Eh未降到-0.1~-0.2伏时，不能生长繁殖。这样，泡水以后，首先由于O2量供应的变化，引起了微生物种类和代谢类型的改变，表现出水稻田土壤生物活性的特点。微生物类群的特点和优势种类稻田泡水以后，由于氧化还原电位等条件的变化，使土壤中微生物类群的特点与旱地土壤很不相同。从三类厌气性细菌来看，水田中都比旱地里多，这反映了水田的氧化还原状况。表中数据是秋季落干后的调查结果，尽管由于落干使厌气性细菌受到抑制，但厌气性细菌仍占优势，如果在泡水情况下调查，则厌气性细菌数量可能会更多。从表中还可以看出水田中好气性细菌也比旱地多，一方面是因为大量的细菌是兼性的，另一方面由于水田中放线菌和真菌减少，细菌能够得到更多的养科。在水田中，细菌是物质转化的主要推动者。水田的细菌类群中，常常是兼厌气性细菌数量多于厌气性细菌。水田中的严格厌气性细菌多为芽孢梭菌。水田中兼厌气性细菌多为芽孢杆菌。水稻田微生物的复杂性及丰富性从前面表中已看到，水田中各类细菌的数量一般都比旱地多，特别是兼厌气性细菌占有很大的比重，因此水田微生物是非常丰富的，而且它们的组成也是很复杂的。水稻田的硝化微生物水稻田的硝化微生物是属于兼厌气型类群。在蓄水条件下，由于反硝化作用的强烈进行，造成氮素的损失。水稻田的固氮微生物水稻田土壤中固氮微生物非常丰富，除了存在许多固氮蓝细菌(即蓝藻)外，还有其它光合固氮细菌和有机营养型的固氮细菌。即使是在泡水条件下，好气性固氮菌还是相当多。国内外研究工作都证明水稻田具有旺盛的生物固氮作用，固氮微生物数量多，而且具备着各种固氮体系。除自生的固氮细菌和蓝细菌外，还有蓝藻和红萍共生固氮体系，在水旱轮作中，根瘤和豆科作物共生固氮体系也占有重要的地位。

第二节水稻田土壤中微生物所引起的物质转化的特点1．微生物好气性呼吸所引起的物质转化在好气性微生物的氧化作用中，分子氧是最终的电子受体；当有分子态氧时，有机质主要氧化为CO2。泡水以后，好气性异养微生物旺盛地分解有机物质时，微生物的需氧量可能超过水层所扩散到土壤中的氧量。当大部分易于分解的有机物质被分解后，表面土层（不到l厘米）中的氧量超过了土壤细菌的需要，这就是氧化层。氧化层中异养细菌所得的碳水化合物可以通过扩散作用来自还原层的厌气带。水稻和水生植物组织内具有细胞间隙，可以由叶面输送氧气到根系，水稻根系中的空间占整个根组织的5~30%，而大麦根的空间不到1%。由于氧气扩散到根面，在泡水条件下，水稻的根土界面处形成一个氧化带，所以水稻根际是好气性和兼厌气性细菌活动的重要部位。在土壤氧化层和根土界面处，由于具备O2和CO2，所以自养微生物能够在这里生长繁殖。在表层施硫酸铵后，铵就会由硝化细菌氧化为硝酸盐，硝酸盐容易转移到下面还原层，成为反硝化作用的基质而引起氮素损失。在水稻田土壤中，细菌对锰的氧化有重要作用，可以形成锰块。在氧化层和根际也有铁细菌进行亚铁的氧化作用。在氧化层和根际中，硫杆菌可以将硫化物氧化为硫酸，使硫成为可给态。2．微生物厌气性呼吸所引起的物质转化厌气性呼吸作用是利用无机化合物中的氧作为有机质氧化过程中最终电子受体的氧化作用。土壤泡水以后，当好气性微生物耗尽了氧气时，微生物的厌气性呼吸作用就成为主要的代谢类型。它们利用硝酸盐、氧化锰、硫酸盐和碳酸盐等作为电子受体将它们还原成分子态氮、低价的锰和铁化合物、硫化氢和甲烷等还原性物质。在水稻田里，硝酸盐主要来源于硝态氮肥料和微生物的硝化作用。当它们由于脱氮细菌的反硝化作用而消失时，也正是水田还原化过程前期的第二阶段。因为脱氮细菌是兼厌气性细菌，所以这一作用主要是在还原层内进行的。锰在旱地里是以二氧化锰的形态存在，它是紫黑色，还原后变为二价锰离子(Mn2+)，紫黑色消失了。二价锰离子易溶于水，它和铁离子不同，在碱性条件下不容易沉淀，水稻很容易吸收，所以水稻缺锰现象较少。随着氧化还原电位继续下降，高铁被还原为低铁。过多的低铁进入水稻植株内，有毒害作用，这时叶身出现赤色斑点，成赤枯的症状。但是如果水稻的根是健全的，铁在根周围被氧化而沉淀(呈现黄褐色)。不过还原作用继续进行到下一阶段，形成的硫化氢和有机酸与根系接触时，根对铁的排除机能就受到损坏，低铁离子就会进入水稻植株内。随着铁离子的全部还原，水田还原过程进入了后期，这时氧化还原电位降低到0以下，厌气性细菌活跃起来。硫酸还原细菌将硫酸盐还原为硫化氢。硫化氢和铁结合生成黑色的硫化铁。因此如果土层内部变黑，证明硫酸盐还原作用的进行。土壤中的硫化氢虽然也能从含硫有机质产生，但水稻田中的硫化氢大部分是从硫酸盐来的。因此在水稻田里最好不用含硫酸根的肥料。硫化氢积累过多时，对水稻生长不利，特别是缺少铁时，游离的硫化氢直接伤害水稻的根系。在有的情况下，可以施入含铁物质来防止或解除硫化氢的毒害作用，因为这可以使水田还原化过程停留在铁的还原阶段，阻止硫化氢的发生。硫酸还原菌是专厌气性细菌，它们利用有机酸（乳酸、丁酸和乙酸等)比葡萄糖等糖类还好，而在水田的还原化过程中开始产生有机酸正是从前期进入后期这个时候。水稻土继续还原就有氢气产生，这是由细菌的氢化酶所催化的。氢化酶既可以产生H2，也可以利用H2去还原其它物质，如形成硫化氢和甲烷。氢化酶广泛地存在于专厌气性细菌中，在兼厌气性细菌和个别好气性细菌中也发现存在。水稻田中沼气的发生是还原作用进行到最强阶段的表现，这时Eh值降到最低，由于还有硫化氢的累积，土壤发出腐臭气味。甲烷本身对水稻没有毒害。但是这时土壤处于高度还原状态，对水稻生长不利。3．水稻田中微生物的发酵作用及绿肥的分解发酵作用是以有机物质作为最终电子受体的生物氧化还原过，它在泡水土壤中是厌气性细菌分解碳水化合物的过程。细菌发酵的主要终产物是乙醇、中酸、乙酸、乳酸、丙酸、丁酸、分子氢和二氧化碳。含氮有机化合物的发酵(或称腐败作用)除了上述产物外，还产生氨、吲哚、粪臭素(甲基吲哚)和硫醇。水稻土中，绿肥等大量有机物质进入土壤，在泡水条件下，由发酵作用产生大量有机酸，是水稻田土壤物质转化过程的重要特点，对水稻生长有一定的影响。（1）水稻田土壤中有机酸的形成对稻田土壤的有机酸已进行了广泛的研究，这是因为有机酸抑制水稻的生长。有机酸的形成是泡水条件下微生物对有机物质进行发酵作用的结果，这是土壤生物活性的一个方面，了解有机酸形成的规律及其对水稻生长的影响对于农业生产是很重要的。许多研究工作证明，排水不良的稻田中有大量脂肪酸累积，它们不仅抑制水稻根的发育和生长且易发生根腐病。一般认为挥发性有机酸，尤其是丁酸，是使水稻生长不良的原因。日本研究者测定到水稻土中约有13种有机酸，其累积量大小的顺序是乙酸＞丁酸＞甲酸＞延胡索酸、丙酸、戊酸、琥珀酸和乳酸。有机酸对水稻抑制作用的大小是，丁酸＞丙酸＞乙酸＞甲酸＞草酸。一羧酸对水稻发育的抑制作用大于二羧酸和三梭酸或含氧酸。也有报告说明在较低土壤温度下，有机酸量大于较高土温下的量，这可能是由于在低温下有机酸的分解较慢。在泡水条件下，有机质的厌气性分解产生有机酸，主要是梭菌的代谢产物。这些梭菌大多数是分解蛋白质的，它们在含蛋白胨的培养基上生长时，除产生乙酸和丁酸外，还产生异丁酸和异戊酸。（2）春季绿肥的分解和转化在以水稻为主的田地中，冬季适当种植豆科绿肥(紫云英、苕子等)，是我国广泛实行着的一种耕作制，对于培肥土壤，改善水稻营养状况有很重要的意义。绿肥翻耕后产生肥效，在泡水条件下主要是微生物发酵作用的结果。长江流域在四月间将豆科绿肥和其它青肥翻耕入土壤，于泡水条件下腐解作用进行得很快，氮化作用在几天内就表现出来，含磷有机物的矿化作用也伴随着旺盛进行，从而改善了水稻田的氮、磷营养条件。在翻耕绿肥和插秧期间不必间隔很长时间，长江流域一般为5~7天。春季豆科绿肥翻入水田后，纤维素分解作用进行得很快，很旺盛，主要的纤维分解微生物是厌气性梭菌。在这个时期，多种兼厌气性芽孢杆菌大量发展，成为占优势的微生物种类，它们有些是很强的氨化细菌和矿化卵磷脂的细菌。从豆科绿肥和其它绿肥翻耕后土壤中氮、磷元素的矿化量推算，不仅本身的氮、磷元素被矿化，而且还推动了土壤中原有的比较稳定的有机物质的矿化，这种作用也称为“起爆效应”。第三节水稻田烤田措施对土壤微生物的影响及其增产意义烤田(或称落水晒田)是水稻田水浆管理中的一项重要措施，它包括落水晒田和复水两个步骤。烤田的作用在于提高土壤中的合氧量和氧化还原电位，清除有毒物质(如H2S，有机酸等)。根据植株生长情况和土壤状况决定是否需要烤田，再根据土壤性质决定烤田轻重和复水时间。一般经验是，在肥力水平较高，有机质肥料用量较多的田块最需要烤田，以防治水稻热烧和烂根，或控制水稻的营养状况，以达到较高的产量水平。在比较贫瘠的水稻田中，烤田则有提高土壤中可给性养料水平的作用。烤田对调节微生物数量的作用水稻田在蓄水条件下，虽然微生物的数量很高，但有些微生物种类还是会受到水层的抑制。中国科学院土壤研究所的研究工作证明，水旱两作的水稻田，每克土壤的细菌总数，在种水稻时期(主要是蓄水情况)要比种旱作时期少。烤田能够增加微生物的总量，尤其能够促进好气性微生物的发展。

烤田土壤中微生物总量的增加，以及好气性细菌数量的增加对于土壤中可给性氮素和磷素养科条件的改善是有利的。华中农学院的研究结果指出，水稻田中一些细菌种类，如Bacilluscereus和Bac.mycoides等，既是水稻田土壤中数量占优势的种类，又是分解有机氮和有机磷物质的主要种类，这些细菌是兼厌气性的，但它们的生命活动在有氧条件下要比无氧条件下旺盛很多。显然，烤田改善了土壤的通气条件，促进了微生物的生命活动，有利于有机氮和有机磷的速效化，提高了氮、磷养料的可给性。烤田对防止反硫化作用为害的意义施用有机质肥料较多的水稻田中，在水层较深、气温较高的情况下，尤其是在连阴多雨的天气，由于旺盛的有机质分解造成了土壤的较强还原条件。这时反硫化细菌旺盛发展，产生大量硫化氢，如果不能进一步转化就会累积起来，对植物根部产生毒害作用(黑根、烂根)，这时植物表现为热烧，土壤旺盛产气，并在水面形成“油蕈子”的现象，针对这种情况，应该进行较高度的烤田。研究结果证明，通过烤田，可以提高土壤的氧化条件，能有效地抑制反硫化细菌，促进了硫化细菌的作用，能够阻止或减轻硫化氢的毒害作用。一块发生热烧的丰产试验田，经排水烤田后，3~5天开始发出新根，稻苗恢复健康。

烤田对于土壤中氮素和磷素营养条件的影响及其微生物学原理

研究工作指出，通过烤田(落水晒田及复水)以后，土壤中的氮素和磷素养料条件会有所改善。这是因为土壤中分解蛋白质和复杂有机硫化物的主要微生物(蜡质芽抱杆菌和霉状芽孢杆菌等)是好气性和兼厌气性的，故提高了土壤氧化条件，对这类微生物的生命活动更有利，从而改善了土壤中的氮、磷营养条件。烤田对于土壤中的氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的生命活动都有显著的影响。在水稻田的灌水