湖南大学:环境修复原理与技术作业

湖南大学硕士课程论文

学院：环境工程与科学学院

班级：2015级硕士

姓名：张燕茹

学号：S150300381

论文题目：《浅谈土壤微生物修复原理与技术在土壤侵蚀中的应用》 课程名称：环境修复原理与技术

2015年10月26日

目录

浅谈土壤微生物修复原理与技术在土壤侵蚀中的应用 ....................................................... 1

1.前言 ........................................................................................................................................ 3

2.正文 ........................................................................................................................................ 4

2.1微生物作用于土壤侵蚀过程的机理 ............................................................................. 4

2.1.1土壤微生物对有机碳自身难降解性的影响 .......................................................... 5

2.1.2土壤微生物对土壤有机碳空间不可接近性的影响 .............................................. 5

2.1.3 土壤微生物对有机碳分子交互作用的影响 .......................................................... 6

2.2有机碳稳定性和土壤生物群落之间的平衡 ................................................................. 6

2.3水土保持的生物措施 ..................................................................................................... 7

2.3.2固持土体，改良土壤 .............................................................................................. 7

2.3.3防风固沙，净化空气 .............................................................................................. 7

3.结论 ........................................................................................................................................ 8

4.引用文献 ................................................................................................................................ 8

浅谈土壤微生物修复原理与技术在

土壤侵蚀中的应用

环境工程与科学学院学号：S150300381 学生：张燕茹

摘要：生态环境退化是当今世界面临的重大问题之一,退化的生态系统的主要特征之一就是土壤侵蚀严重 , 反过来又加剧生态环境退化。生态修复是治理水土流失的必要而有效的途径。土壤微生物与土壤营养元素循环、能量转移等密切相关。明确土壤微生物对土壤有机碳稳定作用的响应机制，有助于进一步把握土壤中的微生物在全球碳循环中的作用，并提利用微生物修复或改善现有的土壤侵蚀。本文通过阐述微生物作用于土壤侵蚀过程的机理，从土壤生物本身特性及生物与生境协同进化角度出发分析了土壤有机碳的生物稳定机制，展望了未来关于水土保持中微生物研究的方向。

关键字：土壤侵蚀；生物修复原理；土壤碳循环；土壤微生物

1.前言

快速发展的现代科技给人类社会带来便利的同时，也造成了环境污染与退化等一系列问题。其土壤侵蚀问题日益成为一个范围最广、影响最大的世界性难题。土壤资源作为人类赖以生存和生产的基础,使得人类开始重新认识土壤在环境中的重要意义,关注土壤质量与环境间的关系。

土壤侵蚀是全球范围内较为普遍的生态环境问题，是由物理、化学及生物等多重机制相互作用形成的复杂动态过程，它对土壤生产力和生态环境质量造成严重威胁[1]。全球受水蚀影响的陆地面积为1094Mh公顷，其中751Mha为严重水蚀；风蚀面积549 Mha，其中296 Mha为严重风蚀[1]。生态脆弱区域的土壤侵蚀，不但让熟化表土层的流失变薄，还会使得降水资源转化为地表径流，破坏土壤有机碳( Soil organic carbon，SOC)的原有分布，最终造成环境效益被极大破坏。严峻的现实向传统的水土保持提出了新的挑战，生态修复就是在这种背景下应运而生的。

土壤侵蚀是土壤有机碳动态过程的重要驱动因素。土壤有机碳代表了表层陆地生态系统最大的碳库，其微小变化都会引起大气CO2浓度的较大波动[2]；明确土壤侵蚀如何影响土壤生物进而作用于 SOC，有助于准确把握土壤侵蚀在全球碳循环中的作用。同时，土壤生物作为土壤系统重要的组成部分，参与了

土壤碳循环过程，在土壤生态系统的能量流动和养分转化中起着很重要的作用。因此，研究土壤侵蚀与土壤生物之间的关系具有重要意义。

侵蚀土壤的生态修复是现代水土保持的产物。关于侵蚀地区的水土保持工作，长期以来在坡面和小流域尺度进行的研究比较多。研究员在总结小流域封禁治理成功经验的基础上，将预防和治理有机地结合在一起，极大地丰富了水土保持的内涵；使其具有覆盖面大、事半功倍的显著特点；是水土保持生态环境建设思路的重大战略调整[3]。

自二十世纪九十年代以来, 有关国际研究计划和组织开展了一系列全球和区域尺度的土壤侵蚀调查和评价研究。区域土壤侵蚀研究成果能更直接地为水土保持宏观决策提供支持,又与全球变化研究相联系，所以区域土壤侵蚀研究己成为土壤侵蚀学科的前沿研究领域[4-6]。

2.正文

土壤侵蚀是一种自然现象,在我国也常被称为水土流失。通常土壤侵蚀被定义为“土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[7-8]”。对于土壤的生态修复是指在特定的土壤侵蚀区，通过解除生态系统所承受的超负荷压力，根据生态学原理，倚靠生态系统本身自我调控能力使其从受损状态中得到恢复，或进行人为诱导恢复[9]。土壤侵蚀修复措施就其自身来说，目前由生物措施、工程措施和耕作措施三大类构成[10]。其中，生物措施对于侵蚀土壤的修复作用是本文关注的重点。

2.1微生物作用于土壤侵蚀过程的机理

近年来，研究者开展了大量侵蚀土壤结构退化，土壤养分再分布等方面研究[11-14]。例如，刘兆云等[12]通过研究侵蚀-沉积连续地形不同部位土壤碳库的分异特征，发现侵蚀区土壤总有机碳及各组分碳随侵蚀坡面自上而下明显下降。喻为等[13]通过野外径流小区模拟降雨实验，发现降雨侵蚀严重改变了红壤丘陵区表层土壤微生物数量及碳在坡面上的分布格局。进而分析在侵蚀背景下，土壤微生物与土壤有机碳分布、变化之间的关系。通过大量研究，发现土壤生物自身对有机碳稳定性的贡献[15-17]。

当前公认的有机碳稳定机制包括[18]：①选择性保存（selective preservation），指有机碳自身的难降解性；②空间不可接近性（spatial inaccessibility ），指由于土壤团聚体的闭蓄、片状硅酸盐的嵌插、疏水性或有机大分子的包裹导致的

有机碳与分解者和酶的隔离；③分子交互作用（inter-molecular interactions），指配位体置换、范德华力弱交互作用、高价阳离子络合等导致的有机碳的生物有效性下降。

基于以上三种土壤有机碳稳定机制，分别讨论微生物在不同机制中的表现与作用。

2.1.1土壤微生物对有机碳自身难降解性的影响

植物残体和根系及淀积物是土壤稳定性有机碳的根本来源，土壤有机碳的稳定性还取决于土壤生物代谢后分解产物的难降解性及土壤生物对植物群落影响的反馈作用。

土壤稳定性有机碳中很大的比例直接来源于微生物，有证据表明微生物的再合成在稳定有机碳形成中有重要作用[19,20,21]。微生物产物如胞壁质、几丁质、脂类，主要来源于真菌的色素类物质等都属于难降解有机碳化合物[19]。不同土壤微生物群落对土壤稳定性有机碳的贡献不同，如细菌和真菌能够分解、利用及合成结构不同的有机碳

[21]。另一方面，土壤生物也能够提高土壤有机碳的活性。除了某些土壤微生物直接分泌粘多糖外，大多数土壤微生物都具有很短的周转期，生物量通常被认为是活性有机碳组分。更为重要的是，土壤微生物分泌的胞外酶在稳定性有机碳向活性有机碳的转化中有重要作用[22,23]。

2.1.2土壤微生物对土壤有机碳空间不可接近性的影响

土壤微生物、微生物胞外酶与有机碳的空间不可接近性被认为是有机碳稳定性的最主要机制。

大量的证据表明了土壤生物分泌的粘多糖及真菌菌丝促进了土壤内不同大小团聚体结构的形成[24]。土壤大团聚体的形成阻碍了空气和水的扩散，从而阻碍了团聚体内有机碳的分解[25]；而团聚体孔隙对微型土壤动物捕食活动的抑制作用及对微生物群落的影响后果已经得到初步验证[26,27]。由于微团聚体内孔隙更小（如很多孔隙小于细菌可进入的0.2μm界限），所以对有机碳稳定性的贡献更大。

有机碳的疏水性通过减少底物表面的可湿性从而限制微生物对其分解能力。研究表明，土壤微生物活性的增强往往伴随者土壤疏水性的提高[28]，土壤微生物的生物体和分泌物通常包含较多的疏水性有机物。微生物群落组成是影响土壤疏水性的重要因素，细菌能够降解疏水性有机碳导致疏水性下降[29]，而砂性土壤内真菌生物量与疏水性之间存在良好的相关关系[28,30]不过，借助选择性抑制细菌或真菌的方法，Feeney等

[31]发现砂壤性土壤中真菌生物量与疏水性在并不存在明显联系。因此，土壤微生物对

土壤疏水性的影响可能比预想的更复杂，仅仅依据微生物总体活性和生物量指标已经不能满足研究微生物对疏水性贡献的需要，微生物种类及其分泌物性质的差异可能会导致土壤疏水性变化方向不同[31]。

2.1.3 土壤微生物对有机碳分子交互作用的影响

有机碳的矿物表面吸附和与高价离子的络和能够显著降低其对微生物的可利用性，这已为大量的研究所支持[32]。

土壤微生物可以通过分泌无机酸、有机酸和聚合物等加速矿物的分解，而其本身和分泌的胞外多聚糖又可以促进新矿物的形成[33,34]。土壤微生物这个庞大的类群以丰富多样的方式影响矿物的形成和分解。以细菌为例，参与矿物形成的方式可以分为生物诱导和生物控制，前者受环境条件制约，主要发生于淹水的厌气环境中，细菌以硫及各种金属作为最终电子受体，还原反应的代谢产物很活跃，参与随后的矿物形成过程，形成的矿物往往具有结晶度差和颗粒大小分布广等特点；后者受环境因素的影响小，而主要受到生物代谢和基因控制[35]。

土壤中的高价离子，特别是Al3＋、Fe3＋与有机碳络和对有机碳稳定性的贡献很大

[36]。不过高价离子的有机碳稳定作用还与它们对微生物的毒性有关，特别是Al3＋和重金属污染元素往往能抑制土壤生物活性和有机碳氮的矿化，导致活性有机碳组分的积累[37]。

2.2有机碳稳定性和土壤生物群落之间的平衡

土壤有机碳稳定性中土壤生物的作用正受到更多的重视，土壤生物群落分别作为土壤生态系统功能的驱动者，其活性和多样性的提高和维持是陆地生态系统可持续性的保证；但是，我们正面临着两难的选择：提高有机碳稳定性意味着要减少生物呼吸量；而提高土壤生物活性又需要依赖土壤有机碳的分解过程。Janzen[37]以农田土壤为例，提出了几种解决两者矛盾的途径，即：（1）提高土壤有机碳回归量；（2）通过耕作、有机肥施用和灌溉等措施使有机碳组分的长期稳定和短期降解与生物需要保持协调；（3）加强研究有机碳的动态过程和功能，而不限于仅仅追求有机碳总量的增加。

从长远看，有机碳的增加并非总是好的，有机碳的减少并非总是有害的；同样，土壤生物分解过程的促进并非总是有利的。我们需要的是在不同环境条件下的有机碳储备和消耗的最佳平衡。要达到这一目标，必须重视土壤中有机碳的生物流动过程，特别是土壤生物作为驱动者的功能[37,38]

2.3水土保持的生物措施

利用微生物控制土壤碳库储备、释放和周转的各种因素的研究成为了解全球碳循环、预测全球气候变化及制定统一的限制温室气体措施的必需知识[39,40]。但土壤微生物自身对有机碳稳定性的影响和生物稳定机制一直没有引起足够重视[41,42]，基于微生物修复土壤侵蚀的案例报道较少，相关技术很不完善。目前对于水土流失的生物治理措施多以宏观调控为主。水土保持生物措施主要是林草措施，其中森林植被生态功能尤其突出，主要表现在以下4个方面。

2.3.1 保持水土，涵养水源

森林地土质疏松，孔隙度高，能有效地调蓄水分，是蓄水保水的“土壤水库”；林木根系集中分布的根系土壤层能蓄存大量的水分，是林木中最重要的蓄存水分和调节水气状况的作用层；植物枯枝落叶层一能防止雨滴直接击溅土壤，增强土壤团粒结构的稳定性，增加土壤抗蚀力，防止表层土壤被雨水剥蚀冲刷；二能蓄存和入渗降水，减少地表径流；三能分散、滞缓地表径流，起到调节河川径流和削减洪峰的作用；四能过滤地表径流，避免土沙流入河川和水库，起到泥沙过滤器的作用。

2.3.2固持土体，改良土壤

森林树种具有深长的垂直根系以及围绕其周围的广阔的侧根，且在树木之间根系纵横交错。这些根系同枯枝落叶层对地表径流中的固体物起到拦截过滤作用，能够有效地固持土体，从而防止了土体滑落面的形成，为消除重力侵蚀如泥石流等创造条件。

森林植被形成的郁闭环境，影响着土壤的湿度；森林凋落物在土壤表面形成的枯枝落叶层，分解后对土壤的生物、物理和化学性质有重要影响；森林植被强大根系的生长延伸及代谢分解，可以形成良好的土壤团粒结构，增加了土壤孔隙度，改善土壤通气性；菌根和根系分泌物及死亡的根系则有助于森林土壤有机质养分的积累。这些因素能够加速成土速度，促进土壤母质形成土壤。

2.3.3防风固沙，净化空气

森林具有的大量枝叶有降低风速的效果，营造防护林，能够防风固沙、改善小气候，以林带作为屏障，可降低风速 30%~40%。森林除降低风速外，大量携带细菌的大粒尘埃随风速降低而下降、落地，部分细菌被吸附在表面凹凸不平、具有绒毛、分泌黏液及油脂的枝叶上，减少了空气中细菌的数量，对净化空气起到明显效果；森林通过光合作用吸收的二氧化碳最多，放出的氧气也最多，科学家称之为 “吞碳吐氧机”。

在人口众多、工业发达、环境污染尤其严重的今天，要吸收二氧化碳，增加氧气，植树造林是最有效的途径。

3.结论

有机碳的损失途径较多，但土壤有机碳的稳定性和大气CO2 浓度的增减最终依赖于有机碳的生物稳定性。经过土壤有机碳—土壤微生物之间密切的协同进化，导致SOC动态分布及微生物的分解过程的形成，这些都是影响有机碳短期循环和存储的重要因素［38］。从微生物活动与土壤有机碳稳定性的协同进化思想出发，土壤微生物与土壤有机碳稳定性的关系正成为我们进一步理解有机碳稳定机制的桥梁，为此，今后需要加强以下方面的研究：

（1）土壤生物对植物或土壤有机碳再合成的影响，可以借助同位素标记技术和某些生物标志物研究土壤生物对土壤有机碳稳定性的贡献。（2）联系地上部——地下部系统研究土壤微生物对有机碳稳定性的贡献，如土壤生物对地上部影响和反馈作用及地上部的消费者或管理措施对土壤生物群落的影响。（3）加强特定环境和土壤条件下有机碳生物稳定性的研究，如选择不同环境条件下（水分、温度、污染等胁迫条件），不同土壤条件下（气候、土壤、植被等自然因素）及不同管理措施（施肥、耕作、灌溉等人为因素）。（4）探索不同管理措施下土壤生物群落特征有机碳稳定性和分解过程的联系，协调有机碳分解的生态服务与有机碳长期稳定性之间的关系。

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