不同土壤环境条件下土壤微生物区系的变化特征分析

［摘 要］ 以微生物数量作为衡量土壤微生物区系特征的关键指标，采用试验测试方法分别判断有机质含量、环境温度、水分含量3项指标对土壤中细菌、真菌和放线菌数量的影响机制。研究结果表明，随着试验时间的延长，温度将取代水分成为影响土壤微生物数量的最主要因子，有机质则一直发挥次要影响作用。温度偏低时，土壤中细菌数量较多，但随着时间延长，细菌数量先增加后减小且逐步趋于稳定，真菌、放线菌数量减幅偏小。

［关键词］ 土壤环境；微生物菌群；温度；含水量；有机质

［中图分类号］ S154.37 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）04--3

1 影响机理

在土壤生态系统中，微生物不仅是物质循环调节者，而且是有机质和速效养分的一部分，能参与养料转化、有机碳代谢等多种过程。在微生物作用下，有机质将被分解为简单的化合物，释放出矿质养料和能量。对于土壤微生物来讲，有机质能为其活动提供养分和能量，因此，土壤中有机质含量越高，微生物种群、数量越多。而微生物功能群指的是拥有相同功能但不同形态的微生物，在功能群存在差异的情况下，转化的有机质不同。因此，微生物功能群数量能反映土壤各因素给微生物区系带来的影响。

从土壤环境给微生物区系带来的影响来看，环境条件的变化将给微生物生长、繁殖等各方面带来影响。考虑到微生物受到多种环境因子的影响，应进一步把握不同因子对微生物的影响规律，以便通过改善环境促进有益微生物生长。从现有研究来看，温湿度、有机质含量、酸碱度等因子都会对微生物造成影响。例如，环境湿度增加有助于微生物繁殖，但湿度过大会抑制微生物繁殖，所以湿度波动会引起土壤微生物群落变化；有机质含量则用于衡量土壤肥力，其含量与微生物群落大小密切相关，如土壤含有丰富腐殖质时将产生大量细菌；土壤酸碱度直接影响微生物代谢活动，超出微生物适生范围将引发微生物死亡。因此，可对3种因子改变后土壤微生物数量变化情况展开研究，进一步把握土壤环境条件与微生物区系之间的关系。

2 材料与方法

2.1 样品采集

供试土壤为黑钙土。采用全球定位系统精准定位采样位置，共完成3次采样，各次采样时间点（15：00—17：00）保持一致。使用五点法采样，在选定采样点划四边形，在4个顶点和两条对角线交点采样，各点采样深度0～20 cm。用直径16 cm、高10 cm的玻璃容器盛装采集的土壤样品。正式开展试验前，对采集后的土壤理化性质进行测定，反映真实的采样环境。取部分新鲜土样将大石砾、动植物残体等去除，采用烘干法测定土样含水量，并利用硫酸-重铬酸钾滴定法测定有机质含量。供试土壤的基本理化性质如下：有机质含量16.61 g/kg，全氮含量0.8 g/kg，全磷含量0.65 g/kg，碱解氮含量97.4 mg/kg，有效磷含量64.11 mg/kg，pH值6.67，容重1.51 g/cm³。土壤微生物菌群主要由细菌、真菌、放线菌组成。

2.2 试验方法

分别称取3 kg新鲜土壤样本装入10个玻璃容器中，编号为0～9。其中，0为对照组，不做任何处理，直接进行不同微生物功能群分类测定。1～9为试验组，按照不同条件处理，完成正交试验设计，如表1所示。处理5 d后测定各试验组的微生物数量。完成正交试验后，考虑到有机质矿化等过程需要一定时间，不同时段各环境因子对微生物区系产生的影响程度可能发生变化，需要采用极差分析法分别在第5天、第40天、第130天分析土壤菌群的变化特征，确认不同时段对微生物区系产生主要影响的环境因子，进一步掌握土壤中微生物数量变化规律［1］。

2.3 测定方法

对微生物功能群落进行分类，使用梯度稀释法完成土样悬液制备。称取10 g土样放入装有90 mL无菌水和少量玻璃珠的三角瓶，经过20 min振荡确认充分混合，使用1 mL吸管取悬液添加至装有9 mL无菌水的试管中。均匀混合后，得到土样10-1稀释液，静置2 min后稀释成不同稀释度的土样悬液。基于《食品安全国家标准 食品微生物学检验菌落总数测定》（GB 4789.2—2016）标准，采用平板计数法测定菌落总数。基于微生物平板培养方法，选用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁-孟加拉红培养基分别在28～30 ℃温度条件下培养两三天，对分离获得的细菌、真菌计数。同时，选用改良高氏1号培养基在35 ℃温度环境下培养3～5 d，对分离获得的放线菌计数。在操作过程中，使用标签在不同培养皿盖上标注培养基名称、悬液稀释度等信息，各梯度应标记3～5皿。使用吸管将0.2 mL稀释液滴入平板中央，使用无菌玻璃涂棒沿着培养基表面以直线方式均匀涂布，在室温下静置5～10 min后进行倒置培养。利用稀释培养计数法计量微生物数量，稀释至新鲜培养基中无菌斑生长，可以对之前3个稀释度培养皿中微生物进行计数，通过最大或然数表完成近似值查找，乘以数量指标首位数的稀释倍数确定菌液含菌数量。

2.4 数据处理

采用相关系数法，用Excel软件进行图表处理。

3 结果与分析

3.1 不同环境因子给微生物数量带来的影响

根据正交试验结果（见表2）可知，对细菌数影响最大的因素为水分，其次为有机质，温度产生的影响较小。因为土壤含水量达到100%的条件下，细菌数量最多，同时细菌数量随着土壤有机质含量的增加而增加。对真菌来讲，水分产生的影响较小，温度产生的影响较大，在8 ℃条件下真菌数量较多，之后真菌数量随着温度的升高而呈现出先减少后增加趋势。有机质对真菌数量的影响无明显规律。从放线菌数量变化来看，温度为主要的影响因素。随着温度的增加，放线菌数量逐步减少。有机质也是影响放线菌数量的重要因素，因为随着有机质含量的增加，放线菌数量有所减少。水分对放线菌数量产生的影响不明显。从总体分析结果来看，细菌数量变化主要受水分因素影响，真菌和放线菌数量主要受温度因素影响，而有机质含量会对细菌和放线菌数量带来一定影响。相较于对照组，试验组细菌和放线菌数都明显增加。分析原因可知，与各组有机质含量增加密切相关。土壤微生物是土壤物质循环的主要推动者，将直接参与土壤中有机质的分解、转化过程，对于土壤质量、肥力效果具有重要影响［2］。有机质作为土壤中各种动植物残体分解与合成产物的总称，其含量增加意味着含碳有机物含量增加，能够给细菌数量、活力带来明显影响。在自然环境中土壤表面存在覆盖物，对土壤温湿度、水分、肥力变化起到一定影响［3］。经由施肥进行土壤理化性质改良后，随着土壤中有机质含量的增加，细菌、放线菌数量呈同步增长趋势，真菌数量变化则主要受到其他因素的影响。

3.2 各时段不同环境因子的影响程度

现有研究成果表明，土壤温度、湿度、成分类型等因素将共同作用于微生物呼吸，进而影响碳循环［4］。通过施加肥料补充土壤养分、增加有机质含量后，可使细菌、真菌数量发生显著变化。在获取不同环境因子对于微生物存活数量产生影响的试验结果的基础上，采用极差分析方法进行不同因子作用关系的判断，如表3所示。开展长达130 d的试验获得的数据较多，无法一一罗列。为简化分析过程，采用极差分析法对相关试验数据进行处理，在其他环境因子不变的条件下，对单一因子引发细菌、真菌、放线菌数量变化情况展开分析，将单一微生物功能群数量最大值减去最小值可以得到极差。因此，根据极差大小能确定微生物数量变化幅度，确定对微生物数量影响最大的环境因子。

试验时长为5 d时，水分因子变化导致细菌数量极差达到9.44×10⁸个/g，明显超过有机质和温度因子变化产生的细菌极差值，因此，水分因子是影响细菌数量的最主要指标。在水分含量为100%、有机质含量较高的情况下，可使土壤中细菌数量明显增加。温度因子是影响真菌数量的关键指标，真菌数量在低温条件下达到峰值，整体来看真菌数量较少，对于土壤中植物生长的威胁较小。温度因子同样对放线菌数量具有显著影响。随着土壤温度的逐渐升高，放线菌数量呈不断减少趋势，且有机质含量偏低的土壤中放线菌数量较多。整体来看，试验时长为5 d时3种微生物的数量变化幅度较小。

试验时长为40 d时，温度因子是影响细菌数量的最主要因素，有机质含量发挥次要作用；水分因子是影响真菌数量的关键因素；放线菌数量变化无明显规律，水分含量增加时其数量略有增加。

试验时长为130 d时，水分因子是影响细菌数量变化的最主要因素，第130天细菌数量极差为1.07×10¹⁰个/g，比第5天的9.44×10⁸个/g增加近133倍。温度因子、有机质含量分别对真菌、放线菌数量变化产生主要影响。观察相关试验结果可以发现，细菌数量在第130天达到峰值；真菌数量呈先增后降趋势，有机质含量与真菌数量成正比；放线菌数量呈持续增加趋势，可实现对细菌、真菌未充分分解化合物的有效分解，但施加肥料条件与放线菌数量之间未达到差异显著水平。由此可知，通过施加肥料能使细菌、真菌数量明显增多。

由试验结果可知，土壤环境因子对于微生物数量具有直接影响，微生物群落对于温度变化的响应较为灵敏，水分、有机质含量对不同菌种数量具有间接影响［5］。在试验前期改变土壤温度和含水量条件，并适量增施肥料，将使细菌数量在发生大幅变化后逐渐趋于稳定，真菌、放线菌数量变化幅度相对较小，说明细菌对于外部环境条件变化较为敏感、响应速度较快，但随着试验时间延长，其环境适应力将逐渐提高，由此促使细菌群落分布处于动态平衡状态。而真菌、放线菌数量变化幅度相对较小、敏感性稍差，对于环境胁迫存在一定抵御力。从不同试验周期角度进行分析，温度因子在试验时长为40 d时对于细菌数量变化起主导作用，在试验时长为40 d时对真菌数量变化起主导作用，在各时段均对放线菌数量变化起主导作用。自然界的土壤环境条件不断发生变化，受各种环境因子综合影响，微生物群落组成和数量也将不断变化。在区域大环境条件相对稳定的情况下，微生物数量将与所处小环境变化密切相关，使微生物区系呈现出一定的变化特征。

4 结论

选取黑钙土作为介质，分别考察有机质含量、温度和含水量3项因子对土壤中细菌、真菌、放线菌数量变化的作用机制及影响程度，可知短期内起到主要作用的为水分因子。但从微生物区系长期变化来看，温度是影响微生物数量的最主要因素，有机质含量则在各阶段都能对细菌和放线菌数量产生次要影响。但该研究范围局限于微生物菌群数量，后续还需对不同土壤组分、微生物群落结构特征及不同菌种对于土壤质量的功能作用机制进行深入研讨，为土壤微生物区系变化规律的研究提供借鉴。

参考文献：

［1］唐兴贵，陆新莉，雷庭，等.微生物菌剂施用对烟田根际土壤菌群数量的影响［J］.现代农业科技，2020（22）：86-88.

［2］马秀艳，蒋磊，宋艳宇，等.温度和水分变化对冻土区泥炭地土壤氮循环功能基因丰度的影响［J］.生态学报，2021（17）：6707-6717.

［3］刘倩，李纪潮，左应梅，等.有机覆盖三七对土壤养分及微生物多样性的影响［J］.中国农业科技导报，2021（1）：162-175.

［4］胡汗，马寰菲，白红英，等.秦岭太白山不同林带土壤微生物呼吸速率及其影响因素［J］.生态学报，2021（1）：135-148.

［5］赵建琪，吴建平，张慧玲，等.增温对南亚热带季风常绿阔叶林土壤微生物群落的影响［J］.生态环境学报，2019（5）：881-889.