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近年来,集约化蔬菜基地土壤生产力下降趋势的现象倍受关注,而高强度使用化肥和农药以及采用连作方式可能是导致这一现象的主要原因之一.土壤微生物是影响土壤生态过程的一个极重要因素,同时又是土壤生态系统中对环境变化非常敏感的一个生物类群.因此,研究集约化蔬菜基地土壤微生物的群落特征,分析它们对基本环境因子变化的生态响应、不同微生物种类之间的相互作用以及寻找可用于评价菜园土健康质量的敏感微生物指标及快速而准确的检测方法对解决上述问题将具有重要的意义。
本研究选择华南红葱基地土壤作为研究对象,从微生物多样性和群落结构的角度,分析红葱基地土壤微生物特征;采用培养分离方法,从红葱土壤中分离出几种可培养优势微生物,采用土壤微宇宙培养实验方法,比较不同pH值、电导率和水分条件对这些微生物生长的影响;比较了不同微生物数量、微生物丰富度,微生物类群组成比例对土壤微生物呼吸代谢、生物量、微生物活性和微生物脂肪酸指纹的影响及其在不同培养时间下的变化规律.同时,建立与菜园土健康质量有关的微生物指标.研究结果表明：
(1)红葱多年连作导致了土壤微生物功能多样性和土壤生态系统稳定性的显著降低,土壤微生物群落存在严重的胁迫现象.红葱-水稻轮作后土壤中丛枝菌根真菌的数量显著增加,有助于提高土壤养分有效性和土壤抑病能力;红葱-水稻轮作后土壤中微生物群落中cyC17:0/C16:1ωc比值显著降低,一定程度上可解除土壤微生物群落的胁迫,提高土壤微生物生态系统的缓冲性和弹性;红葱-水稻轮作既增加土壤有机质的积累,又促进了土壤养分有效性和土壤微生物活性.轮作条件下土壤健康程度增强.
(2)可培养优势细菌在酸性土壤条件下,即pH值为4.9时能保持较高的微生物生物量、最低的呼吸速率和代谢熵;放线菌在pH值为4.9时具有最高的生物量、中等的呼吸强度和最低的代谢熵;真菌在pH值为4.0～4.9时具有最高的生物量、中等的呼吸强度和最低的代谢熵;真菌、放线菌、马红球菌和成团泛菌的最适电导率在250～350μs/cm之间,但短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的微生物生物量碳和基础呼吸速率在750μs/cm时迅速增大;菜园土土壤含水量为10～13％时可培养微生物的生物量最大、代谢熵最小、呼吸强度较大.本研究通过微生物在不同环境条件下的反应找出了不同微生物在不同环境条件下的变化趋势:细菌在酸性胁迫环境下呼吸强度减小,盐分胁迫下呼吸速率随盐分升高而增加,水分胁迫下呼吸强度减小;真菌在碱和盐分胁迫条件下,呼吸速率随胁迫的增加而增加,但在水分胁迫条件下呼吸速率会减小;放线菌在酸碱胁迫下呼吸速率都会增加;在盐分胁迫下呼吸速率会随盐分升高而减小;在干旱条件下,呼吸速率会增加,但在水淹环境下,呼吸速率会减小.
(3)在培养实验的前20天,土壤微生物生物量和活性受pH值影响比受电导率影响要大.在电导率为550μs/cm和750μs/cm的处理条件下,pH值为4.9的微生物生物量和活性在整个培养实验过程中均高于当pH值为7.8的情形.这似乎表明,盐分对微生物造成的毒害作用可以通过调节pH值来减缓或消除.脂肪酸的分析结果表明,pH值为4.9的处理的细菌含量高于pH值为7.8的处理,真菌的情形正好相反.微生物对羧酸类碳源的利用能力可以作为区分pH值和电导率处理的特征碳源.基础呼吸、诱导呼吸和微生物生物量碳来作为pH值、电导率和水分组合对可培养优势微生物的影响土壤健康评价的最小参数集.
(4)可培养优势微生物起始加入量数量与微生物生物量碳呈负相关,但差异不显著,只有在第33天时呈极显著负相关;微生物生物量氮与微生物起始加入量数量之间呈现正相关,而且前8天呈极显著正相关;起始微生物数量对微生物群落的演替方向起决定性作用.AWCD值代表多样性指数,来评价可培养优势微生物数量对土壤健康的影响.聚合物类碳源和羧酸类碳源对微生物数量处理反应比较敏感.FAMEs结果表明,107CFU处理第15天代表着一种健康的群落组成,但到第23天时,BIOLOG结果显示,105和1010CFU处理演替群落结构与其它处理相比更健康,聚合物类碳源和羧酸类碳源对这两个处理的贡献比较大.基础呼吸、微生物生物量碳和细菌的脂肪酸含量等3个指标可作为不同微生物起始加入量对土壤微生物群落特征影响的土壤健康评价最小参数集.
(5)土壤微生物丰富度高其土壤健康状况也较好.微生物丰富度与AWCD值呈正相关.第15天时相关系数为0.458,达到极显著相关(p=0.01),第45天时相关系数为0.337,达到显著水平(p=0.05).处理5的微生物组合对病原菌的抑制作用主要表现在对真菌或放线菌的抑制.FAMEs分析表明,处理3是比处理2更健康的一种组合.微生物生物量碳、微生物生物量氮和AWCD值等3个参数可作为不同微生物群落丰富度对土壤微生物群落结构影响的土壤健康评价的最小参数集.
(6)无论在前期加入的细菌与真菌比例如何,到本培养实验末期,微生物生物量都达到一种平衡状态,而且各处理微生物生物量碳的差异不显著.AWCD值与多样性指数的相关关系达到极显著水平,所以可以用AWCD值代表多样性指数,反映土壤微生物的功能多样性.基础呼吸、诱导呼吸和微生物生物量碳阶指标可以作为不同起始细菌,真菌比条件下土壤健康评价的最小参数集.
(7)综合分析诱导呼吸、微生物生物量和脂肪酸等指标,可以判断放线菌与真菌的比例为10:1对土壤处理后,土壤相对来说比较健康.本试验中微生物以增加代谢活动来适应环境,3种处理的基础呼吸速率随微生物数量的增加而升高,二者相关系数为0.578,达到极显著水平(p=0.01).微生物生物量碳、微生物生物量氮和PRIN1(脂肪酸)等3个指标作为不同起始放线菌,真菌比条件下土壤健康评价的最小参数集.
(8)通过对不同处理的土壤健康评价最小参数集分析：微生物生物量碳是评价土壤健康最重要的指标之一,基础呼吸和微生物生物量氮次之.采用ISO推荐的方法就可完成以上指标的测定.
本研究的结果可为更深入了解菜园土微生物及其生态特征提供一定的理论依据。