土壤微生物多樣性影響因素及研究方法綜述

[摘 要] 土壤微生物是土壤的重要組成部分，其多樣性直接影響著土壤質量和作物生長。本文綜述土壤微生物多樣性的影響因素及其研究方法，介紹各方法的原理、優缺點及應用范圍，以期為土壤微生物研究提供理論依據。

[關鍵詞] 土壤微生物;多樣性;影響因素;研究方法

[中圖分類號] S154.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）33-112-2

土壤作為人類賴以生存和發展的基礎，擁有豐富的微生物資源，其數量巨大、種類繁多且功能活躍。土壤微生物以群落形式存在于土壤中，通過影響土壤養分含量及有機質轉化，進而影響土壤質量及植物生長。近年來，由于土地資源過度利用、環境污染情況日益加劇等因素，土壤微生物多樣性遭到嚴重破壞，因此，開展對土壤微生物多樣性的研究，不僅能對土壤肥力、質量等變化進行預測和評估，還能對其優勢種群的功能進行進一步探索，為土地保護利用、土壤可持續發展提供理論依據。

土壤微生物多樣性主要是針對土壤中微生物的種類、豐度、分布等進行研究，大致可以分為物種多樣性、遺傳多樣性、結構多樣性和功能多樣性4類。土壤微生物的物種多樣性指的是其物種的豐富度和均一度，也是各種多樣性中最直接的表現形式;土壤微生物的遺傳多樣性是指在基因層面上，各類遺傳物質及遺傳信息等的加和，是各種多樣性中最能反映微生物多樣性本質的參數;土壤微生物的結構多樣性主要是針對細胞結構組分進行多樣化程度的評判，直接影響著微生物的代謝方式及生理功能的多樣化;而土壤微生物的功能多樣性則是特指微生物群落的功能范圍及過程，如分解能力、營養傳送能力、對植物生長的促進及抑制能力等，直接影響土壤生態功能，進而影響整個生態系統的元素循環[1]。

1 土壤微生物多樣性的主要影響因素

1.1 土壤顆粒

土壤是一個龐大的孔隙系統，由大小不一的顆粒組成，而土壤微生物就存在于各個顆粒的表面及其各顆粒間的孔隙。土壤顆粒在很大程度上影響著土壤微生物的群落。有研究表明，顆粒越細小的土壤，其有機質含量越高，因此其微生物群落結構較為復雜，從而表現出較高的土壤微生物多樣性[2]。

1.2 土壤溫度與水分

土溫與土壤水分狀況對土壤微生物的影響有交互性，表現出協同效應。大量研究表明，土壤微生物群落結構隨季節的變化而變化，如夏季土壤溫度較高、濕度較大，植物生長代謝速度加快，分泌物增多，因此會促進土壤微生物的生長，使其呈現出較好的多樣性，而若對夏季進行干旱處理，則微生物多樣性顯著降低[3]。

1.3 土壤管理方式

不同的土壤管理方式對土壤微生物多樣性的影響不同，如噴灑農藥、施用化肥、不同的土地利用方式以及不同的作物種植。不同種類的農藥如除草劑、殺蟲劑等會對土壤微生物產生不同的影響，具體表現為對微生物的生長繁殖、代謝能力、微生物生物量以及微生物群落結構、功能等的影響[4]。除草劑會對土壤微生物群落結構造成明顯影響，導致土壤微生物多樣性降低。土壤微生物多樣性與土壤養分呈正相關關系，因此貧瘠的土壤中微生物很難生長，其數量和種類都非常少，而長期施用有機肥的土壤則表現出較好的多樣性。土壤微生物多樣性還與土地利用方式有關，如傳統耕作會破壞土壤團聚體，使其有機質含量降低。團聚體越大，微生物生物量會隨之增大，因此能促進大團聚體的免耕更有利于提升土壤的微生物生物量和多樣性。不同植物種植或植物間輪作，因其根系分泌物不同，對土壤微生物的影響不同，也會在土壤微生物多樣性上表現出明顯差異。

2 土壤微生物多樣性研究方法

研究土壤微生物多樣性，不僅能預測土壤養分狀況、土壤環境質量的變化，還能確定出對土壤微生物群落產生影響的微生物種類，進而了解其功能。通常我們會對土壤微生物的種類、數量、均一度、結構和功能等進行研究[5]。從技術層面可以將土壤微生物多樣性研究方法分為兩大類：生物化學技術層面的研究方法和分子生物學技術層面的研究方法。

2.1 生物化學方法

生物化學方法是傳統的較為常規的研究方法，主要包括以下3種。一是平板技術——培養鑒定法。此方法在20世紀70年代前較為流行，其是基于平板對細胞進行培養分離，估算土壤微生物數量，最后對菌群的生理生化特性進行鑒定的人工模擬方法。該方法成本高、速度快，但因人工模擬無法達到土壤真實的生境指標，如pH值、養分、溫濕度等，培養的微生物數量不足實際微生物數量的1%，平板技術——培養鑒定法逐漸被其他方法所替代。二是底物利用分析法，最典型的是Biolog技術，其是基于土壤微生物對碳源利用程度的不同，對土壤進行微生物多樣性分析。這種方法簡單快速、靈敏度高，且具有較高的分辨能力，可以最大限度地保留土壤微生物群落的原有代謝特征。三是生物標記法。其原理與培養鑒定法類似，是基于細胞的結構特點，對土壤微生物的某種成分進行提純，然后通過化學手段進行成分鑒定，主要包括磷脂脂肪酸（PLFA）分析法和呼吸醌指紋法。以較為常見的磷脂脂肪酸分析法為例，通過測定土壤中PLFA的豐度和種類，從而確定土壤微生物的數量和種類，然后進行土壤微生物多樣性分析。這種分析方法快速且較為可靠，但分類水平較低。

2.2 分子生物學方法

一是核酸復性動力學技術、G+C%含量法。核酸復性動力學技術是通過測定微生物基因的復雜程度，對土壤微生物多樣性進行評價，此種方法因受細菌拷貝數影響靈敏度較低。G+C%含量法是基于DNA鏈上G+C%的含量不同來分析土壤微生物多樣性的，該方法只能進行粗測，因為即便是不同種類的微生物，其G+C%含量也有可能相等。二是核酸雜交技術。該技術是從土壤樣品中提取DNA或RNA，將提取出來的DNA或RNA與已知序列雜交，基于對雜交信號的檢測、分析，定性、定量地解析土壤微生物多樣性的變化規律。三是土壤宏基因組學。Handelsman等在1998年首次提出土壤宏基因組學概念，是通過構建16S rRNA基因文庫，對土壤微生物豐度、種類進行系統化研究，從而更客觀地、真實地分析土壤微生物多樣性[6]。四是DNA成分多態性圖譜分析。其原理是將DNA分子長度相同而堿基序列組成不同的PCR擴增產物，共有3種研究方法——DGGE（變性劑濃度梯度凝膠電泳）、TGGE（溫度梯度凝膠電泳）和TTGE（時間溫度梯度凝膠電泳），其中DGGE應用最為廣泛[7-9]。五是DNA長度多態性圖譜分析，最為常用的是末端限制性片段長度多態（T-RFLP）技術，其所采用的熒光標記大大簡化了條帶圖譜，能更準確地反映土壤微生物多樣性。六是高通量測序技術，這是21世紀以來備受關注的新一代技術，其快速精準、通量大，是解析土壤中微生物群落的重要工具。

3 結語

土壤微生物是反映土壤質量狀況的敏感指標，其多樣性在土地評價、土壤可持續利用等方面發揮著巨大作用，隨著分子生物學技術的不斷發展和完善，土壤微生物多樣性研究將快速得到發展，必將在生態系統功能恢復及重建方面發揮更大的作用。

參考文獻

[1]林先貴，胡君利.土壤微生物多樣性的科學內涵及其生態服務功能[J].土壤學報，2008（5）：892-900.

[2]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（9）：4215-4224.

[3]馬琳.長期施肥和土地利用方式對塿土細菌群落多樣性的影響[D].咸陽：西北農林科技大學，2015.

[4]鐘文輝，蔡祖聰.土壤管理措施及環境因素對土壤微生物多樣性影響研究進展[J].生物多樣性，2004（4）：456-465.

[5]劉國華，葉正芳，吳為中.土壤微生物群落多樣性解析法：從培養到非培養[J].生態學報，2012（14）：4421-4433.

[6]Handelsman J. Metagenomics：application of genomics to uncultured microorganisms[J].Microbiology and molecular biology reviews，2004（4）：669-685.

[7]羅海峰，齊鴻雁，薛凱，等.PCR—DGGE技術在農田土壤微生物多樣性研究中的應用[J].生態學報，2003（8）：1570-1575.

[8]王岳坤，洪葵.紅樹林土壤細菌群落16S rDNA V3片段PCR產物的DGGE分析[J].微生物學報，2005（2）：201-204.

[9]滕應，駱永明，趙祥偉，等.重金屬復合污染農田土壤DNA的快速提取及其PCR-DGGE分析[J].土壤學報，2004（3）：343-347.