土壤团聚体对微生物及土传病原菌的影响

王秋君， 马 艳， 常志州

( 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京210095)

近年来，人们为追求农作物的高产而大量施用化肥，造成土壤肥力严重下降，致使土壤环境日益恶化，各种土传病害逐年加重，成为制约我国农业生产的重要因素。有研究结果表明土壤理化性状对植物土传病害有一定的影响，土壤团聚体稳定性可能是影响土传病害发病率的因素之一［1］。目前有关土壤团聚体对土传病原菌在土壤中的分布及生长的影响机制的研究在国内尚属空白。土壤团聚体是土壤颗粒、微生物、动植物残体及腐殖质构成的微团聚体经过多次复合和团聚而形成的结构［2］。团聚体是土壤结构的基本单位，也是微生物活动的主要场所，土壤物质和能量的循环转化主要发生在团聚体内。土壤中的微生物居住在一个由土壤颗粒控制的环境里，这些土壤颗粒的特性、形状和大小各异，并且具有高度复杂的空间分布与组成［3］。土壤颗粒的空间几何分布决定了孔隙的分布模式以及孔隙内水分和空气的分布，直接影响微生物与环境间的物质能量交换，从而决定了微生物的生存空间［4］。土壤团聚体和微生物是不可分割的，前者是后者存在的场所，后者是前者形成的主要因素。土传病害是指病原体生活在土壤中，条件适宜时从作物根部或茎部侵害作物而引起的病害。然而，目前有关土传病原菌在土壤中的分布及蔓延特征与土壤团聚体结构之间的相关性尚不清楚。本研究将土壤团聚体对土壤微生物尤其是土传病原菌的影响机制进行了综述，为土传病害的防控提供一些新的思路。

1 土壤团聚体形成的微生物学机制

土壤团聚体是土壤矿物质颗粒、微生物、植物残体以及腐殖质构成的微团聚体经过多次复合和团聚而成的结构。土壤团聚体的形成、稳定性与微生物间存在着密切的联系。土壤团聚体由单个土粒和有机物质以及微生物等胶结而成，结构复杂。微生物是形成土壤团聚体必不可少的因素，其在土壤团聚体形成中的作用主要有两个方面:第一，微生物( 主要是真菌和放线菌) 可借助它们的菌丝将土壤颗粒彼此机械地缠绕在一起而形成团聚体;第二，依靠微生物的代谢产物对土壤颗粒的胶结作用而形成稳定性团聚体［5］。此外，微生物细胞也可依靠自身带有的负电荷借助静电引力使土壤颗粒彼此连接［6］。土壤微生物，尤其是真菌，在大团聚体的形成和稳定过程中起着重要作用［7］。Degens 等［8］在电子显微镜下发现，团聚体中的砂粒明显地仅靠菌丝联结在一起。Tang 等［5］认为，土壤中大团聚体的稳定性和土壤中菌丝长度有关。一般情况下，微生物类群在土壤团聚体形成中的作用大小为: 真菌＞放线菌＞细菌。微生物在土壤团聚体形成过程中的另一作用是通过分泌胶结物质完成的，这种胶结物质就是微生物多糖［7］。Chaney 等［9］通过在土壤中添加葡萄糖培养后，发现微生物产生了较多的胞外多糖，同时土壤团聚体的稳定性也明显提高。

2 土壤团聚体对微生物及土传病原菌的影响

2.1 土壤团聚体对微生物生长及分布的影响

有关土壤微生物活性对土壤团聚体形成的影响已有大量的研究报道，但有关土壤团聚体对微生物活性和分布的影响研究相对较少。土壤团聚体也影响微生物在土壤中的分布和生长［10］。大量研究结果表明，土壤团聚体稳定性与土壤微生物数量呈正相关［11-12］。土壤中的细菌约有80% ～90%附着在团聚体表面，并且还有大量的真菌孢子［13］。

土壤团聚体主要是通过两个途径影响微生物在土壤中的分布:一是土壤团聚体的空间几何分布决定了孔隙的分布模式以及孔隙内水分和空气的分布，从而决定了微生物的生存环境［4］; 二是土壤团聚体对微生物与有机底物的可接近程度以及对捕食生物的暴露程度产生影响［14］。

2.1.1 土壤团聚体粒径对微生物生长及分布的影响 土壤中水流对土著微生物和外源微生物在土壤中的迁移有很大影响。土壤中大多数微生物都是随着水流在土壤孔隙中进行迁移的［15］。在水分不饱和条件下土壤的微观尺寸即毫米至厘米范围内，毛细力和扩散是微生物迁移的主要动力［3］，而且这两种动力的重要性取决于土壤孔隙的大小和性状。Nunan 等［16］研究发现，土壤细菌在表层土中是随机分布的，在底层土中主要分布在孔隙附近，然而孔隙附近的干湿交替比较频繁，养分容易流失，而且细菌容易遭受其他生物的拮抗。土著微生物和外源微生物在土壤中的分布特征不同，外源微生物主要定殖在大孔隙中［17］。Kravchenko 等［3］研究发现，将外源大肠杆菌接种到土壤中后，主要分布在团聚体外部，可能是因为团聚体内部水分含量少限制了大肠杆菌的进入。

由于不同粒径团聚体内外水分和通气状况不同，其微生物群落结构、活性也有明显差异。一般地，土壤团聚体外部通气状况良好，且有机质源丰富，故有利于微生物的生长和发育。细菌约有80% ～90%是附着在土壤团聚体的表面，还包括大量的真菌孢子［18］。据估算，一个20 μm 粒径的微团聚体内只能分布一个细菌细胞，而1 cm3的微团聚体大约含有1.25 ×108个细菌细胞。与团聚体外部相比，团聚体内部通气性较差，这使得生活在团聚体内部的微生物主要以好氧兼厌氧的细菌居多，尤以氨化细菌为主，同时也有少量的硝化细菌和真菌存在，但真菌大多数是以菌丝状态存在的［18］。土壤团聚体外部呈氧化状态进行着硝化过程，内部则呈还原状态进行着反硝化过程。Philippot 等［19］的研究结果表明，土壤反硝化菌在团聚体内部的定殖能力显著高于其他细菌。Ranjard 等［20-21］研究发现，土壤团聚体内部的细菌受汞的毒害作用低于团聚体外部的细菌。Rattray 等［22］研究发现，外源细菌在土壤团聚体内部的生存时间较长，这是由于团聚体的保护作用，使其不被原生动物捕食［23］和不容易脱水。土壤团聚体外部的细菌容易遭受原生动物捕食和失水，存活时间短，但由于团聚体外部表面积大，氧气含量和有效养分含量高［24］，导致细菌的生长繁殖较快，数量较多。

粒级大小不同的团聚体中，微生物组成也有差异。张东升等［25］研究了不同耕作方式下土壤微生物生物量在各粒径团聚体中的分布，结果表明:土壤微生物生物量的分布受土壤团聚体结构的影响大于受耕作方式的影响。张维等［26］研究了水稻土微生物群落在不同粒径团聚体中的分布，结果表明:细菌和真菌主要分布在粒径＜0.053 mm 的粉砂与粘粒的团聚体组分中，而在其他粒径团聚体中的分布无显著差异;放线菌主要分布在粒径为0.053 ～0.200 mm 的团聚体中，在其他粒径团聚体中的分布无显著差异。Daynes 等［7］研究发现，土壤大团聚体中的微生物主要是真菌，而微团聚体中微生物主要是细菌，这可能是因为微团聚体中的孔隙不利于真菌菌丝的伸展，却有利于保护细菌免受原生动物捕食。Sessitsch 等［13］利用磷脂脂肪酸分析了粒径大小不同的土壤团聚体上微生物群落结构，结果表明:土壤微生物多样性随着土壤团聚体粒径减小而增加。Jiang 等［27］研究结果表明土壤大团聚体和微团聚体中的微生物群落结构有明显地差异。Poly 等［28］研究发现，不同粒径团聚体中的固氮菌种类也不相同。Drazkiewicz［29］研究发现，在粘壤土粒径＜3 mm 的团聚体中，微生物数量高于粒径5 ～7 mm 的团聚体。粒径1 ～3 mm 的团聚体中，细菌主要种类为芽孢菌、节杆菌和棒状杆菌，而粒径0.5 ～1.0 mm 团聚体中，优势菌为假单胞菌。尹瑞龄等［18］研究发现，细菌和真菌数量随团聚体粒径的递减而递增，粒径＞1 mm的团聚体中优势菌为巨大芽孢杆菌，而粒径＜1 mm团聚体中主要有假单胞菌、革兰氏阴性的周生鞭毛细菌以及芽孢杆菌。由以上这些研究结果可以得出:不同种类微生物在土壤团聚体中的分布和活性也不相同。

2.1.2 土壤团聚体养分对微生物生长及分布的影响 Schutter 等［30］认为，土壤团聚体中的粘粒和有机质含量对微生物在团聚体上的分布和活性有较大的影响。Visnen 等［31］研究发现，大团聚体上的微生物呼吸速率显著高于微团聚体。Nyamadzawo 等［32］认为，之所以大团聚体中微生物数量显著高于微团聚体，可能是因为大团聚体中易矿化有机质含量较多，为微生物提供了较多食物，从而促进了微生物的繁殖。Spohn 等［11］认为，土壤微团聚体中的有机质结构较稳定，不容易被微生物利用，从而导致微团聚体中微生物繁殖较慢，因此数量较少。Mendes等［33］认为，不同粒径团聚体中氮矿化速率也不相同，这可能也是影响土壤微生物在团聚体中分布的主要原因。

2.2 土壤团聚体对土传病原菌生长及分布的影响

研究结果表明，土壤物理结构对植物土传病害的发生有一定的影响［1，34］。研究结果表明，土壤物理结构，如土壤水势、团聚体结构、容重和孔隙度对立枯丝核菌( Rhizoctonia solani)［34］和尖孢镰刀菌( Fusarium oxysporum)［35］等土传病原真菌菌丝在土壤中的生长延伸速率和延伸程度有很大的影响，尤其是充满空气的孔隙结构限制了真菌的生长延伸，相对于在土壤内部，立枯丝核菌在土壤表面的生长延伸速率快且延伸距离更远［36］。病原真菌在土壤中的生长延伸不是一个随机的过程，当病原真菌在土壤中生长延伸的过程遇到连续的大孔隙时，其延伸速率会提高。土传病原菌菌丝在土壤中的延伸程度直接影响其对植物根系的侵染。土壤中的孔隙可能是病原真菌生长延伸的优先途径也可能会阻挡其延伸，这取决于土壤孔隙的宽度和方向。有研究结果表明，病原真菌在土壤中跨越孔隙并定殖的能力取决于土壤中养分的状况和与其他微生物的竞争能力［35］。土壤中的大多数真菌可能通过菌丝的延伸来获取距离较远的营养［37］，也可能通过营养物质在土壤中的扩散来获取营养。Otten［34］研究发现，土壤孔隙会妨碍养分的扩散，但是对立枯丝核菌的生长延伸却没有影响，据此推测，立枯丝核菌在土壤中获取养分主要是通过菌丝的生长延伸。

土壤中病原真菌对孔隙的利用对土传病害的蔓延有很大的影响。土壤中的孔隙可能会阻碍病原真菌的生长延伸，也可能会增加病原真菌与具有相同生长环境的拮抗微生物的互作，从而抑制病原真菌的生长。然而，土壤孔隙也可能会给病原真菌的生长延伸提供有利的条件，如在作物幼苗产生抵抗病原真菌侵染的能力之前，病原真菌会沿着土壤裂缝迅速地蔓延，从而引起作物的土传病害。另一方面，由于植物根系在土壤缝隙中的延伸，也增加了根系与病原真菌的接触机会［34］。

土壤团聚体结构对土壤物理性状( 持水量、渗透率等) 有很大地影响。Otten 等［34］的研究结果表明，土壤孔隙结构对立枯丝核菌菌丝的生长及侵染作物根系有较大的影响。Dominguez 等［1］研究发现，土壤团聚体的稳定性与香蕉枯萎病的发生有一定的相关性，土壤团聚体的稳定性增加会形成更多的厌氧环境，使得土壤中有效铁含量增加，从而促进尖孢镰刀菌孢子的萌发。Toyota 等［35］对尖孢镰刀菌在4 ～6 mm 粒径的大团聚体上的定殖能力进行了研究，发现大团聚体上的微生物种类对尖孢镰刀菌的定殖能力有较大影响。

3 存在问题及展望

有关土壤微生物活性对土壤团聚体形成的影响已有大量的研究报道，但有关形成后的土壤团聚体对微生物及土传病原菌的生长和分布地影响研究相对较少。虽有研究者认为土壤团聚体的稳定性会影响作物土传病害发病率，但有关土壤团聚体对土传病原菌的作用还缺乏深入研究，因而这也是今后的一个重点研究方向。进一步的研究应该借助于同步辐射微CT 技术，结合激光共聚焦显微镜的观察，从土壤团聚体微结构、有机质、微生物群落三方面原位研究土壤团聚体中土传病原菌的空间分布特征，从而阐明土壤团聚体对土传病原菌生长的影响及其机制。

［1］ DOMINGUEZ J，NEGRIÍN MAND RODRIGUEZ C. Aggregate water-stability，particle-size and soil solution properties in conducive and suppressive soils to Fusarium wilt of banana from Canary Islands［J］. Soil Biology and Biochemistry，2001，33( 4) : 449-455.

［2］ MESSIGA A J，ZIADI N，ANGERS D A，et al. Tillage practices of a clay loam soil affect soil aggregation and associated C and P concentrations［J］. Geoderma，2011，162: 231-241.

［3］ KRAVCHENKO A，CHUN H-C，MAZER M，et al. Relationships between intra-aggregate pore structures and distributions of Escherichia coli within soil macro-aggregates［J］. Applied Soil Ecology，2013，63: 134-142.

［4］ NUNAN N，WU K，YOUNG I M，et al. Spatial distribution of bacterial communities and their relationships with the micro-architecture of soil［J］. FEMS Microbiology Ecology，2006，44( 2) :203-215.

［5］ TANG J，MO Y，ZHANG J，et al. Influence of biological aggregating agents associated with microbial population on soil aggregate stability［J］. Applied Soil Ecology，2011，47(3) : 153-159.

［6］ BEARDEN B N，PETERSEN L. Influence of arbuscular mycorrhizal fungi on soil structure and aggregate stability of a vertisol［J］.Plant and Soil，2000，218(1) : 173-183.

［7］ DAYNES C N，ZHANG N，SALEEBA J A，et al. Soil aggregates formed in vitro by saprotrophic Trichocomaceae have transient water-stability［J］. Soil Biology and Biochemistry，2012，48: 151-161.

［8］ DEGENS B，SPARLING G. Changes in aggregation do not correspond with changes in labile organic C fractions in soil amended with14C-glucose［J］. Soil Biology and Biochemistry，1996，28(4) : 453-462.

［9］ CHANEY K，SWIFT R. Studies on aggregate stability. I. Reformation of soil aggregates［J］. Journal of Soil Science，1986，37(2) : 329-335.

［10］ JIANG X，WRIGHT A L，WANG X，et al. Tillage-induced changes in fungal and bacterial biomass associated with soil aggregates: A long-term field study in a subtropical rice soil in China［J］. Applied Soil Ecology，2011，48(2) : 168-173.

［11］ SPOHN M，GIANI L. Impacts of land use change on soil aggregation and aggregate stabilizing compounds as dependent on time［J］. Soil Biology and Biochemistry，2011，43(5) : 1081-1088.

［12］ BRIAR S S，FONTE S J，PARK I，et al. The distribution of nematodes and soil microbial communities across soil aggregate fractions and farm management systems［J］. Soil Biology and Biochemistry，2011，43(5) : 905-914.

［13］ SESSITSCH A，WEILHARTER A，GERZABEK M H，et al. Microbial population structures in soil particle size fractions of a long-term fertilizer field experiment［J］. Applied and Environmental Microbiology，2001，67(9) : 4215-4224.

［14］ RANJARD L，RICHAUME A. Quantitative and qualitative microscale distribution of bacteria in soil［J］. Research in Microbiology，2001，152(8) : 707-716.

［15］ ARTZ R R，TOWNEND J，BROWN K，et al. Soil macropores and compaction control the leaching potential of Escherichia coli O157: H7［J］. Environmental Microbiology，2005，7(2) : 241-248.

［16］ NUNAN N，WU K，YOUNG I M，et al. Spatial distribution of bacterial communities and their relationships with the micro-architecture of soil［J］. FEMS Microbiology Ecology，2003，44( 2) :203-215.

［17］ DECHESNE A，PALLUD C，BERTOLLA F，et al. Impact of the microscale distribution of a Pseudomonas strain introduced into soil on potential contacts with indigenous bacteria［J］. Applied and Environmental Microbiology，2005，71(12) : 8123-8131.

［18］ 尹瑞龄. 微生物与土壤团聚体［J］. 土壤学进展，1985( 4) :24-29.

［19］ PHILIPPOT L，RENAULT P，SIERRA J，et al. Dissimilatory nitrite-reductase provides a competitive advantage to Pseudomonas sp. RTC01 to colonise the centre of soil aggregates［J］. FEMS Microbiology Ecology，1996，21(3) : 175-185.

［20］ RANJARD L，NAZARET S，GOURBIÈRE F，et al. A soil microscale study to reveal the heterogeneity of Hg ( II) impact on indigenous bacteria by quantification of adapted phenotypes and analysis of community DNA fingerprints［J］. FEMS Microbiology Ecology，2006，31(2) : 107-115.

［21］ RANJARD L，RICHAUME A，JOCTEUR MONROZIER L，et al.Response of soil bacteria to Hg ( II) in relation to soil characteristics and cell location［J］. FEMS Microbiology Ecology，2006，24(4) : 321-331.

［22］ RATTRAY E A S，PROSSER J，GLOVER L，et al. Matric potential in relation to survival and activity of a genetically modified microbial inoculum in soil ［J］. Soil Biology and Biochemistry，1992，24(5) : 421-425.

［23］ ENGLAND L S，LEE HAND TREVORS J T. Bacterial survival in soil: effect of clays and protozoa［J］. Soil Biology and Biochemistry，1993，25(5) : 525-531.

［24 ］CHENU C，HASSINK J，BLOEM J. Short-term changes in the spatial distribution of microorganisms in soil aggregates as affected by glucose addition［J］. Biology and Fertility of Soils，2001，34(5) : 349-356.

［25］ 张东升，蒋先军，袁俊吉. 垄作免耕对土壤团聚体中微生物生物量N 和脲酶活性的影响［J］. 中国农学通报，2011，27(8) : 254-258.

［26］ 张 维，蒋先军，胡 宇，等. 微生物群落在团聚体中的分布及耕作的影响［J］. 西南大学学报: 自然科学版，2009，31(3) : 131-135.

［27］ JIANG Y，SUN B，JIN C，et al. Soil aggregate stratification of nematodes and microbial communities affects the metabolic quotient in an acid soil［J］. Soil Biology and Biochemistry，2013(60) :1-9.

［28］ POLY F，RANJARD L，NAZARET S，et al. Comparison of nifH gene pools in soils and soil microenvironments with contrasting properties［J］. Applied and Environmental Microbiology，2001，67(5) : 2255-2262.

［29］ DRAZKIEWICZ M. Distribution of microorganisms in soil aggregates: effect of aggregate size［J］. Folia Microbiologica，1994，39(4) : 276-282.

［30］ SCHUTTER M E D，RICHARD P. Microbial community profiles and activities among aggregates of winter fallow and cover-cropped soil［J］. Soil Science Society of America Journal，2002，66(1) :142.

［31］ VISNEN R，ROBERTS M，GARLAND J，et al. Physiological and molecular characterisation of microbial communities associated with different water-stable aggregate size classes［J］. Soil Biology and Biochemistry，2005，37(11) : 2007-2016.

［32］ NYAMADZAWO G，NYAMANGARA J，NYAMUGAFATA P，et al. Soil microbial biomass and mineralization of aggregate protected carbon in fallow-maize systems under conventional and no-tillage in Central Zimbabwe［J］. Soil and Tillage Research，2009，102(1) : 151-157.

［33］ MENDES I，BANDICK A，DICK R，et al. Microbial biomass and activities in soil aggregates affected by winter cover crops［J］.Soil Science Society of America Journal，1999，63(4) : 873-881.

［34］ OTTEN W，HARRIS K，YOUNG I M，et al. Preferential spread of the pathogenic fungus Rhizoctonia solani through structured soil［J］. Soil Biology and Biochemistry，2004，36(2) : 203-210.

［35］ TOYOTA K，RITZ KAND YOUNG I M. Microbiological factors affecting the colonisation of soil aggregates by Fusarium oxysporum f. sp. raphani［J］. Soil Biology and Biochemistry，1996，28(10) : 1513-1521.

［36］ OTTEN W，GILLIGAN C A，WATTS C，et al. Continuity of airfilled pores and invasion thresholds for a soil-borne fungal plant pathogen，Rhizoctonia solani［J］. Soil Biology and Biochemistry，1999，31(13) : 1803-1810.

［37］ RITZ K. Growth responses of some soil fungi to spatially heterogeneous nutrients ［J］. FEMS Microbiology Ecology，1995，16(4) : 269-280.