土壤管理措施及环境因素对农田土壤微生物的影响

张婷婷，王丽芳，张德健，敦惠霞

（1.牧草与特色作物生物技术教育部重点实验室，内蒙古呼和浩特 010070；2.内蒙古大学生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010070；3.内蒙古自治区农牧业科学院 农牧业经济与信息研究所，内蒙古 呼和浩特 010031）

1987年，全球陆地已耕种面积15亿hm2，预测可耕地总面积为30亿hm2[1]。世界人口迅速增长，农业的发展显得至关重要，而农业发展与土壤质量关系密切。2015年《世界土壤资源状况》报告指出，全球土壤面临土壤侵蚀、土壤有机碳损失、养分不平衡、土壤盐渍化、土地占用与土壤封闭、土壤生物多样性减少、土壤酸化、土壤压实和土壤滞水等功能威胁，这些因素都可能造成土壤的退化。土壤是作物赖以生存的环境，土壤质量的好坏直接影响作物的产量。土壤质量通常认为是土壤在各个生态系统内能够提高作物生产力、维持土壤生态环境质量及促进系统内动植物健康生长发育的能力[2]。为了世界农业的可持续发展，如何提高土壤质量成为一个关键问题。

研究表明，农田土壤的健康受农业管理的影响[3]。土壤健康依靠合理的土壤管理措施，包括种植作物的多样性、免耕等保护性耕作和施用有机肥料等土壤管理措施[4]。土地利用变化，是指由于人类改变土地利用和管理方式导致的土地植被覆盖的变化。过度的土地利用和不合理的管理做法往往导致土壤肥力和作物产量的下降[5]。土地利用变化也会导致土壤结构、养分和微生物活动及影响土壤质量的生物过程的长期和大规模变化[6]。合理的土地利用对土壤微生物群落有调节作用，对土壤微生物群落形成具有重要影响[7]。土壤中微生物的主要区系通常划分为细菌、真菌和放线菌三大类。土壤微生物活性及区系组成对土地利用方式的改变十分敏感，是衡量土壤健康状态的有效指标[8]。此外，细菌和真菌因在生物多样性及其对土壤基本作用过程的影响而主导着陆地土壤生境。因此，它们群落组成的变化在一定程度上影响着土壤营养成分和土壤结构特征[9]。

农业土壤中的微生物群落受多种因素的影响，一般包括季节性和当地环境条件、管理方法及其相互作用等[10-11]。笔者主要综述了不同耕作措施、肥料施用、生长季节、植被覆盖等多种因素影响下土壤微生物变化的研究进展。

1 土壤管理措施对土壤微生物的影响

1.1 耕作措施

在农业生态系统中，由于耕作等农业管理对土壤环境的影响，从而对作物生产的可持续性产生影响。传统的农田管理措施，如密集的耕作、收获后秸秆残茬的去除和焚烧，都会造成土壤侵蚀，使土壤水分和养分流失，降低土壤有机质和破坏土壤物理结构，并降低农田的水分利用率，使作物产量减少[12-13]。耕作造成的土壤机械干扰会造成土壤团聚体的分裂和表层土壤中有机质的损耗，进而对土壤生物产生不利影响，因此，减少耕作，特别是免耕，已被证明能改善土壤生物特性[14-15]。保护性农业实践，即免耕保留作物残茬，被认为是保持农田生产力、改善土壤结构、提高土壤有机质含量和作物产量的有效管理方法[16]。保护性耕作能够有效地改善土壤结构、保持土壤养分和水分，因此，研究保护性耕作在旱作农田生态系统中的微生物作用机理具有重要意义。

由于耕作会对土壤团聚体和表层土壤有机质产生不利影响，免耕土壤中微生物生物量高于传统耕作土壤[16]。有研究发现，免耕和残茬保留增加了微生物生物量、提高微生物多样性[17]。HARTMANN 等[18]的研究结果也表明，与传统耕作相比，有机耕作增加了土壤微生物丰富度，改变了微生物群落结构。WANG 等[19]关于长期免耕对土壤微生物群落影响的结果表明，免耕和秸秆覆盖对土壤细菌和真菌的相对丰富度在门、属水平上有显著的影响。免耕措施下土壤微生物体系中真菌占更大优势，而常规耕作则趋向于细菌占优势，表明在扰动减少，土壤空间异质性增加的条件下，真菌利用分散资源的能力更强[20]。另外，秸秆还田表现出的培肥效果与施用腐熟有机肥的效果基本一致，均能显著提高土壤中的养分含量，改善土壤质量，提高作物的产量[21]。秸秆还田增加了土壤中磷、氮的含量，为细菌提供了能量来源，从而提高了土壤微生物的生物量[22]。

由于免耕和秸秆覆盖等保护性耕作措施能有效减少农田土壤侵蚀、改善耕地质量，从而保障食物安全，成为实现农业可持续发展和环境保护双赢的有效途径[8]。世界各地的农民越来越多地采用减少或免耕和作物残茬保留等保护性农业做法，以减少土壤侵蚀和养分流失，并提高土壤有机质含量和土壤持水量[23]。

1.2 施用肥料

植物残茬返回和施用有机肥料等均会影响土壤碳输入，进而影响农业生态系统中的微生物多样性[24]。农田长期秸秆还田对土壤有机质含量和组成有一定影响，加之根系分泌物参与腐殖质形成，给土壤菌群繁殖生长提供了丰富的碳源与氮源，这些因素均可改变土壤微生态环境，并影响微生物群落与多样性[25]。土壤微生物在土壤养分循环中起介导的作用，因此，对土壤肥力有重要的影响，特别是在影响土壤有机质周转方面[13]。

施用有机肥料增加了基质丰度（即有机物），增加了真菌丰富度和多样性，有利于维持地下生态系统的健康和稳定[26]。与无机肥料相比，有机肥料的使用可以提高土壤质量和碳固存，同时施用有机肥则可以通过增加病原拮抗剂（即某些有益类群）的数量抑制这些真菌病原体[27]。研究表明，矿物质施肥（即无机肥料）增加了植物中真菌病原体的丰富度[28]。矿物质施肥使土壤酸化，降低土壤有机碳含量和碳库，减少土壤微生物量，降低细菌多样性，改变细菌群落组成，影响土壤氮循环[29]。细菌群落对有机肥的敏感性高于无机肥，这可能是由于有机质的不稳定性和肥料中根系分泌物的增加导致。相反，施用无机肥对真菌群落具有积极影响，这是因为施用无机肥增加土壤有机碳含量，增加了真菌丰富度并且改变了群落结构[30]。总体而言，长期施用有机肥对土壤肥力、作物生产力、真菌丰富度与多样性和微生物群落组成的影响均优于无机肥。同时还有研究发现，生物炭在增加土壤细菌和真菌的活性和改变土壤微生物群落方面也有有益的效果，这可能是由于生物炭的施用增加了土壤养分的可用性和碳的储存[31]。

1.3 集约化管理

农业生态系统的集约化管理会改变土壤微生物群落的结构和多样性，并影响生态系统的功能和过程[32]。然而，集约的种植管理也可能会导致负面的环境影响，例如土壤养分循环效率低下、土壤退化和侵蚀及生物多样性损失[33]。DONNISON 等[34]研究表明，集约管理影响土壤微生物群落结构，造成土壤真菌生物量明显减少及真菌与细菌的相对比例降低，但其对微生物活性无明显影响。LI 等[35]进行了毛竹幼林覆盖集约经营条件下细菌组成对土壤生化特性的响应研究，结果表明，集约化管理有助于迅速增加细菌的丰富度和多样性。

1.4 农药及重金属胁迫

尽管某些农药的残留可能被某些微生物用作碳源的一部分[36]，但农药浓度过高可能会对土壤微生物产生毒害并减少数量[37]。魏海燕[38]在枯草芽孢杆菌、春雷霉素等生物农药对黑土微生物的生态研究中表明，枯草芽孢杆菌和春雷霉素均会刺激土壤中的细菌、真菌和放线菌，一般来说施药量越大刺激性越强。陈俊峰等[39]和唐美珍[40]对甲维盐·毒死蜱的研究发现，其在一定条件下抑制了土壤细菌、真菌及放线菌的呼吸作用，对土壤微生物产生毒害。另外，重金属进入土壤不能被微生物分解，导致它们的堆积，明显破坏了土壤结构，并对农作物产生毒害，同时影响其他植物的生长[41]。土壤功能在短期内很难恢复，因为污染物的降解和老化及抗性微生物的生长需要很长时间[42]。土壤中的重金属胁迫会影响土壤微生物群落结构稳定性，它们直接对微生物的数量和活性产生负面影响，间接影响微生物群落的结构组成，放线菌对重金属胁迫敏感，而使用除草剂环草隆使放线菌和类杆菌数量有显著变化[43]。LIU 等[44]研究表明，含有重金属的淋洗液在一定程度上影响了土壤中微生物的优势种。

2 环境因素对土壤微生物的影响

2.1 土壤理化性质

土壤生物活性也与耕作引起的土壤理化性质变化有关。有机质输入不足造成不利的土壤结构，使得微生物群落无法维持正常运转[45]。在土地利用变化下，pH值和土壤有机质等环境因子驱动着土壤微生物群落动态的差异[46]。有研究表明，土壤微生物群落受土壤物理和化学性质的控制，如pH值、土壤有机碳[47]。WANG 等[48]的研究也表明，土壤化学性质（SOC，TN）是造成保护性耕作和传统耕作土壤样品真菌分类组成差异的主要环境因素。pH值和养分有效性代表的土壤参数也被认为是驱动土壤细菌群落结构的最重要因素[49]。

2.2 其他因素

还有类似的研究表明，季节对土壤微生物群落有很大的影响[50]。WANG 等[19]研究表明，随着时间的推移，作物季节生长性会影响微生物群落结构的动态，因为季节性作物生长可能会调节根沉降产生的有机质的空间分布。土壤微生物群落代谢活性的高峰一般出现在夏季，秋季活性又降低[51]。这是因为夏季的植物生长茂盛，可为土壤提供充足新鲜有机质，进而刺激微生物生长，而秋季根际吸收养分，这就减少了土壤微生物的养分供应。同时，季节显著影响大多数真菌、厌氧菌和原生动物的生物量，但不影响AM 真菌、细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌或放线菌的生物量[52]。

植物覆盖显著影响土壤微生物群落的组成，促进其分解代谢功能[53]。这是因为植被为土壤微生物提供其生存所需的有机营养物质和能量，影响了土壤中的碳氮比及CO2含量，进而影响真菌和细菌的发育。由于草地植被种类丰富，产生大量凋落物，为微生物提供营养来源，土壤微生物活性高于农田，更远高于裸地[54]。陈月星[55]研究表明，草地植被覆盖处理中微生物多样性要高于裸地。

3 结语

与传统耕作相比，免耕、秸秆覆盖等耕作措施通过影响土壤理化性质改善土壤质量及有益微生物的活动，保持了土壤的肥力。施用有机肥料提高了土壤中有机物的丰富度，促进了根际分泌物的增加，有助于细菌及真菌群落的生长，进而提升了土壤肥力。土壤表面植被的覆盖为微生物生长发育提供了营养物质，也就增加了土壤中微生物的活性和多样性。因此，不同季节土壤中微生物多样性和活性不同，夏季较高，秋冬季则较低。除此之外，土壤中有机质的输入对土壤微生物具有积极作用。另一方面，由于人类活动的影响，农药及重金属不断进入土壤，不仅毒害土壤微生物及种植作物，还破坏了土壤生态系统，农业活动中应对农药的施用加以控制。

土壤退化是影响当今世界农业可持续发展的重要因素之一，土壤的退化包括土壤肥力下降、土壤板结等一系列过程。由于微生物在养分循环、土壤有机物转化及整体生态系统中具有重要作用，其活动减少、群落结构变化都将影响农田土壤的质量，反映土壤的活性。因此，研究农田土壤微生物对不同管理措施、植被覆盖、生长季节等一系列因素的响应，可以有效地阻止土壤退化，维持农田土壤健康和作物生长，为土壤生态环境的保护提供有效的理论依据。