土壤生物多样性与土壤地球化学环境质量之间的关系
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发布时间：2022-04-30 10:21
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时间：2022-06-21 02:24
土壤由气相、液相和固相三相合一的、生物赖以生存的重要载体，又是具有物理、化学性质及生命形式的复合体。土壤生物学家常把土壤看作是地下栖居生物的一个巨大的、变动的培养基地，并且是将高等植物所不能利用的物质通过土壤生物作用变成可以利用的一个场地。土壤有其本身的结构和肥力特点。土壤圈在地球化学循环中发挥着重要的功能作用，推动着土壤圈内部矿质营养元素的循环转化，并能具有促进植物体生长的肥力效应而显示出强大的生产力。占土壤组成极少部分的生物体，在土壤发挥其巨大功能的过程中起着关键不可替代的作用，即土壤生物是整个土壤圈的核心，它在促进有机质分解、土壤矿质营养循环、维持及提高土壤肥力方面发挥着关键作用，因而也对大气圈、水圈产生着重大影响。因此，有必要研究土壤生物群落结构及其功能作用，特别是在传统的化学农业因其带来的环境负面效应而受到严峻挑战的当今，人类在面临既要提高或维持农业产量又要减少或防治环境污染的双重压力、应如何做出抉择的形势下显得尤为突出。
土壤生物的组成，可分为土壤微生物和土壤动物两大类群，一般包括微生物类群的细菌、真菌和放线菌，原生动物类群的鞭毛虫、纤毛虫和肉足虫，微型节肢动物如土壤螨类和弹尾目昆虫，以及线虫、线蚓和蚯蚓等。梁文举等（2001）及Hendix等（1990）对土壤生物区系在土壤生态系统过程中包括在养分循环和土壤结构中所起的重要作用作了评述。在陆地生态系统中，土壤生物区系是分解者食物网的重要组成部分，是分解作用、养分矿化作用生态过程的主要调节者（Wardle，1995）。尽管在大多数系统中微生物群落约占C和N矿化和固定量的90%，但其活动受着土壤动物的调节。土壤动物通过取食细菌和真菌及将微生物繁殖体向新的位点运输直接调节微生物的活动。土壤动物消耗微生物生物量后，排泄出无机N，然后这些无机N素又进一步供给微生物或被植物吸收利用。土壤动物通过破碎有机质和形成粪粒来增加微生物侵袭的表面积，通过粪土的产生间接地改变微生物的微环境，转过来又影响土壤孔隙度、团聚体大小和稳定性。一般来说，土壤动物活动对生态系统过程产生最终的影响是提高有机质的分解速率和养分周转量。根圈（或称根际）通常是指受作物根系活动影响，在物理、化学和生物学特性上与周围土壤有别的土壤微区，是土壤根系生物群落相互作用的系统，也是养分、水分和其他物质进入根表面的门户，因而普遍受到重视。胡锋等（1998）通过盆栽试验对比研究了两种基因型小麦根际土壤动物和微生物的数量动态及根际效应，认为根际土壤动物与微生物之间相互作用机制在于食微动物与微生物形成的捕食者-猎物间的食物链关系。根际中丰富的分泌物促进了微生物的增殖。这些在食物链中处于最低营养级的微生物作为资源生物即土壤动物的食物，支持了较高的根际动物种群，而较高营养级的动物又可通过捕食、竞争作用影响微生物或其他土壤动物的数量乃至种群结构。
土壤种子库的研究是生物多样性研究中的一部分，长命种子具有重要的遗传学意义，种子库被认为是植物种群基因多样性的潜在提供者（Harper，1977），所以土壤种子库在维持种群和群落的生态多样性和遗传多样性方面具有重要意义。其次，从实践来说，在生长季刚开始的时候，了解种子库的组成和多度可以帮助我们预测农田、牧场和自然植物群落的生产量及承载量（Russi et al.，1992）
本次对济南重金属污染区（简称济南）、鱼台优质稻生产基地（简称鱼台）、寿光大棚蔬菜基地（简称寿光）各生物学参数的差异性进行比较，采用统计学方法进行了土壤生物学参数间及土壤生物学参数与土壤地球化学元素间的相关性分析，评价三地土壤的质量。
一、土壤生物多样性变化特征
济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性分布特征和变化规律各有其特点。3个地区土壤中线虫数量显著低于原生动物数量，原生动物数量又显著低于细菌数量，这与其在食物链中的位置和取食关系是一致的。寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量显著高于济南、鱼台的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。3 个地区的原生动物、细菌、氨化菌和硝化菌数量无显著差异，表明这几个生物类群对重金属污染的敏感程度较低。纤维素分解菌的数量为鱼台＜济南＜寿光，说明纤维素分解菌除受到重金属污染外还受到其他因素比如植物枯落物种类、数量等的影响。
代表微生物新陈代谢能力和多样性的各多样性指数与种群数量的分布规律存在差异（表5-46）。3个地区的Shannon丰富度不存在显著性差异。Shannon多样性指数济南低于鱼台寿光，McIntosh多样性指数鱼台和寿光低于济南，Shannon均匀度和McIntosh均匀度济南低于鱼台和寿光。
表5-46 济南、鱼台、寿光三地的土壤生物参数的方差分析表
代表不均匀程度的Gini指数济南高于鱼台和寿光。代表新陈代谢能力的AWCD值济南低于鱼台和寿光。总体来说济南地区微生物的新陈代谢能力和均匀性低于鱼台和寿光。3个地区土壤微生物结构间存在差异，济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。3个地区的土壤种子库各参数间不存在显著差异，说明重金属污染对土壤种子库影响不大。3个调查地区各分析指标的变异系数差异较大，总体来说，微生物活性的变异系数低于微生物数量的变异系数，线虫数量的变异系数低于原生动物的变异系数，地球化学元素的变异系数低于生物的变异系数。
二、土壤生物多样性指标之间的相关关系
由表5-47可以看出，土壤细菌与放线菌、固氮菌、氨化菌、硝化菌和反硝化菌之间存在显著的正相关关系。土壤真菌与放线菌、固氮菌，放线菌与细菌、真菌、固氮菌和反硝化菌，固氮菌与细菌、真菌、放线菌、反硝化菌，氨化菌与细菌、硝化菌和反硝化菌，硝化菌与细菌、氨化菌和反硝化菌，反硝化菌与细菌、放线菌、固氮菌、氨化菌和硝化菌之间存在显著的正相关关系。这是合乎常理的，因为各微生物类群的适宜生活的条件虽然各有差异，但是总体是营养丰富的、肥沃的土壤适宜于绝大多数类群微生物的生长，而且微生物各分类群和功能群间也有交叉。
土壤线虫与Biolog Shannon丰富度、McIntosh指数之间存在显著负相关关系，与Shannon均匀度、McIntosh均匀度之间存在显著正相关关系，而土壤微生物各生理类群与Biolog各多样性指数间不存在显著的正相关关系，说明土壤线虫作为食微生物的动物会显著降低微生物利用底物的多样性，但通过这种捕食关系的调节，微生物的均匀度增加，线虫在维持食物链的动态平衡中具有非常重要的作用。
三、土壤生物多样性与土壤地球化学环境之间的关系
由表5-48可以看出土壤生物各参数与各地球化学元素间存在着不同的相关性。土壤线虫与Ni之间存在着显著的正相关关系，与Pb、Se之间存在着显著的负相关关系。土壤原生动物与Cr、S之间存在着显著的正相关关系。土壤真菌与K2 O，土壤放线菌、固氮菌、纤维素分解菌与N，土壤硝化菌与F之间存在着显著的正相关关系。Biolog Shannon均匀度与Ni之间存在着显著的正相关关系。Biolog McIntosh指数与Co、F、Mn、Ni、V、Al2 O3、Fe2 O3、MgO、K2 O之间存在着显著的负相关关系，与Se、Na2 O之间存在着显著的正相关关系。Biolog McIntosh均匀度与Ni之间存在显著的正相关关系。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌PLFA含量都与B存在显著的正相关关系。真菌PLFA含量与As、B、Mn、V、Al2 O3、Fe2 O3、MgO、CaO、K2 O存在显著正相关关系，与SiO2、Na2 O存在显著负相关关系。革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例与Cr、Hg、Mo、Zn、Se、S、K2 O存在显著正相关关系。细菌/真菌存在显著负相关关系。土壤种子库各参数与地球化学元素间不存在显著正相关关系。这说明各地球化学元素对各土壤生物的作用不同，通过不同的生物学指标可用于指示某种、某几种重金属或重金属复合污染的情况。
四、土壤重金属污染程度的生物学指标
寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量显著高于济南、鱼台数量，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh均匀度济南低于鱼台、寿光，代表不均匀程度的Gini指数济南高于鱼台、寿光，AWCD值济南低于鱼台、寿光。济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。说明以上指标可作为重金属复合污染的生物学指标。线虫、真菌、放线菌、固氮菌、反硝化菌数量、Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh均匀度越低表明重金属复合污染越严重，Gini指数越高表明重金属复合污染越严重。
由表5-48我们可以找到重金属污染的生物学指标。土壤线虫、Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh指数可作为Ni污染的生物学指标，土壤线虫越多、Biolog Shannon均匀度越高表明Ni含量越高，Biolog McIntosh指数越低表明Ni污染越严重。土壤线虫还可以作为Pb污染的生物学指标，土壤线虫越少表明Pb污染越严重。土壤原生动物、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例可作为Cr污染的生物学指标，土壤原生动物、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例越高表明Cr污染越严重。Biolog McIntosh指数可作为Co污染的生物学指标，Biolog McIntosh指数越低暗示Co污染越严重。Biolog McIntosh指数和真菌PLFA含量都可以作为Mn、V污染的生物学指标，Biolog McIntosh指数越低、真菌PLFA含量越高暗示Mn、V污染越严重。真菌PLFA含量还可作为As污染的生物学指标，真菌PLFA含量越高暗示As污染越重。革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例还可作为Hg、Zn污染的生物学指标，其比例越高，表明Hg、Zn污染越严重。
总的来说，济南地区土壤生物的数量和活性低于鱼台寿光。细致的分，不同的生物学参数可作为不同重金属污染的生物学指标。土壤动物尤其是土壤线虫群落多样性已用作土壤质量以及土壤生态演替过程的生物指标（李文芳等，2005；Liang，et al.1999）。研究发现土壤线虫作为敏感生物可作为 Ni、Pb 的生物学指标。澳大利亚学者 Pankhurst 等（1995）把细菌、真菌、放线菌数量作为土壤质量的生物指标。同时研究者也发现土壤受污染程度越低、土壤质量越高，真菌、放线菌数量越高。此外，其他生物学指标如革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例、真菌PLFA含量、Biolog多样性指数等也可作为重金属污染的生物学指标。总之，用土壤生物作为敏感、快速的重金属污染生物毒性的指示物，具有广阔的应用前景。
通过济南、鱼台及寿光三地的生物多样性研究表明，济南、鱼台、寿光土壤生物多样性分布特征和变化规律各有其特点。总体来说寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌、反硝化菌数量显著高于济南、鱼台，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。3个地区的原生动物、细菌、氨化菌、硝化菌数量无显著差异。济南地区微生物的新陈代谢能力和均匀性低于鱼台、寿光。3个地区土壤微生物结构间存在差异，济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。3个地区的土壤种子库各参数间不存在显著差异。
生物多样性特征符合农田重金属污染地区的生态系统的一般规律，结果说明寿光市重金属污染较鱼台等地轻微，重金属元素对土壤动物类群和数量以及微生物等具有不利影响。
表5-47 济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性指标之间相关系数矩阵表
续表
注：*为P＜0.05。
表5-48 济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性指标与土壤地球化学元素相关分析表
续表
