土壤生态系统与养分管理

⺩王 敬 国中国农业⼤大学资源与环境学院土壤生态系统与养分管理2017年10月济南一、土壤生态系统与生物多样性⼟土壤⽣生态系统地下⽣生态系统, 是陆地⽣生态系统的⼦子系统①⽣生产者：⾼高等植物根系、藻类和化能营养细菌；②消费者：⼟土壤动物；③分解者：各类微⽣生物和腐⽣生动物；④参与物质循环的⽆无机物质和有机物质；⑤⼟土壤内部⽔水、⽓气、热和固相物质等环境因⼦子。

⼟土壤⽣生态系统的结构是地上地下⽣生物群落之间相互作⽤用的结果，与植被类型、根系活动和⼟土壤环境因⼦子有关。

⼟土壤⽣生态系统服务• 碳循环与碳转化• 养分和污染物质循环与转化• ⼟土壤结构维持• 有害⽣生物的调节。

⼟土壤肥⼒力取决于⼟土壤⽣生态系统中物质转化和循环的速度、强度及其循环⽅方式（其中碳和养分物质的循环并⾮非越快越好），良好的⼟土壤结构和⼟土壤健康状况。

Figure 1 土壤食物网中的部分生物 All photographs are from the European Soil BiodiversityRichard D . B ardgeF & W im H . v an d er P uFen ， 2014， Nature水熊虫线虫 细菌 真菌 外生菌根真菌 蜈蚣 千足虫 线蚓 白蚁 跳虫 鼹鼠 扁虫 土鳖虫 蚂蚁 蚯蚓细菌⽣生态特点：分布⼲⼴广泛、在数量上占绝对优势（70～90％）可培养细菌仅占1%-10%与环境的接触⾯面极⼤大⽣生理类型和功能类群多• 好氧、厌氧、兼性厌氧• 自养或异养• 碳转化，固氮、硝化、反硝化，解磷，促⽣生，拮抗等在物质和能量转化中起重要作⽤用少部分是植物病原菌蓝细菌曾⼀一直被称作蓝藻或蓝绿藻，它们是⼀一类含有叶绿素具有放氧性光合作⽤用的原核⽣生物。

主要功能：固氮 固碳放氧细菌－蓝细菌Cyanobacteria细菌－放线菌Array在⼟土壤中可达105〜～108个/g ⼟土。

由于放线菌的分枝丝状体较细菌⼤大得多，因⽽而其总⽣生物量占细菌总量的⼀一半。

主要功能：有机物分解拮抗固氮真 菌 丝状真菌都是好氧、异养菌。

在⼟土壤中真菌数量可达103〜～105/g⼟土，真菌中的许多类群能分解纤维素、⽊木质素等难分解的有机物质，因⽽而在⼟土壤形成和肥⼒力提⾼高过程中有重要作⽤用。

主要功能：碳循环与⼟土壤结构反硝化、异养硝化、解磷致病拮抗sandsilthyphaeclaybacteria微⽣生物在团粒结构形成⽅方⾯面的作⽤用:– 真菌菌丝– 细菌的胶结作⽤用 – 有机物质原⽣生动物指⽆无细胞壁、能⾃自由活动的单细胞真核微⽣生物。

原⽣生动物在⾃自然界分布⼲⼴广泛。

原生动物 Protozoa (Protists)土壤中的原生动物总数常可达到104～105/g 土。

原生动物以有机质碎片 、藻类、细菌、真菌及其它微生物为食，对土壤中的微生物(尤其是细菌)的种类和数量起着重要的平衡和调控作用。

常见的类群有波多虫属、波多滴虫属、变形虫属、钟虫属及三足虫属等 AmoebaeFlagellateCiliate主要功能： 碳氮矿化微型⼟土壤动物：线⾍虫 Nematodeseeee!线虫类是假体腔动物中最大的一门，已记录的种约有15000种，尚有大量种未被定名。

绝大多数体小呈圆柱形，体长一般不超过2.5mm ，多数在1mm 左右，陆生的大型个体可长达7mm ，但寄生种类最长的可达1m 。

植生性Plant Parasitic Nematodes 食细菌Bacteriovores Nematodes 食真菌Fungivores Nematodes 杂食性Omnivorous Nematodes 捕食性Predatory Nematodes 主要功能： 碳氮矿化、 植物病原⽣生物控制微⽣生物的群体数量跳虫食真菌白蚁• 异养，腐生或捕食• 捕食真菌、原生动物、线虫 • 控制个体更小的土壤生物的数量中型土壤动物 Mesofauna食线虫白蚁主要功能： 碳氮矿化控制个体较小生物的群体大小Photo by Suzanne Paisley• 异养• 吞食植物残体• 捕食有机物质上的真菌、细菌⼤大型⼟土壤动物：蚯蚓 earthworm 主要功能：碳氮矿化、 ⽣生物活性物质 团粒结构根食线虫 节肢动物(食碎屑)节肢动物(捕食者)鸟动物捕食线虫原生动物肉足虫、鞭毛虫纤毛虫线虫食真菌、细菌细菌真菌共生、腐生植物根、地上部分 动物、植物和微生物残体、废弃物和代谢产物第一营养级 光合生物 第二营养级分解者依生生物致病、寄生生物根食者第三营养级捕食者草食者食碎屑者第四营养级高级捕食者第五营养级和更高水平的捕食者土壤食物网结构⼈人类对⼟土地的农业利⽤用改变了⼟土体结构与物质循环，降低了⽣生物多样性和⼟土壤肥⼒力Ronald Amundson et al. Science 2015;348:1261071Published by AAAS自然土壤受人类干扰的土壤受人类干扰的影响，土壤变薄、有机质分解加快与含量下降、土壤侵蚀加剧、养分流失增加。

如何在农⽥田⼟土壤上维持⼀一个健康的⼟土壤⽣生态系统是⼀一个挑战二、植物-土壤相互作用与土壤健康修改自连作条件下的⼟土壤健康问题番茄丝⽠瓜aa万寿菊甜玉米erectaRuan 2009, U npublished间作油菜UnpublishedT-TT-T/CrT-T/Ca左元梅提供茼蒿*Monoculture Intercropping13% 24%24%26%番茄/茼蒿** *Monoculture Intercropping 27%26% 38%****Monoculture Intercropping53% 72%38%Castor-oil plantCrown daisyTomatoP BOPBO大豆连作条件下土壤生态系统引起的负反馈作用土壤性质对连作障碍的发生有作用• 线⾍虫数量逐年增加• 植⽣生性线⾍虫，特别是根结线⾍虫⽐比例很⾼高， 线⾍虫多样性下降；⼟土壤⽣生态系统的显著恶化对照优化施氮 常规施氮RKN2007050100150200250300350对照优化施氮常规施氮线虫数量(/100g 干土)PP TN2008a 1400常规施氮RKN abba a bbbb20040060080010001200CK 优化施氮线虫数量(/100g 干土)PP TN35002009baabaaba a 050010001500200025003000RKN PP TN200720082009线⾍虫数/100g ⼟土 氮素管理对根结线⾍虫和植物寄⽣生性线⾍虫和线⾍虫总数的影响Ruan e t a l. 2013有机质( 含量与性质 )土壤生物 类群 与功能 结构形成与功能 (物质迁移)CEC 土壤pH …… 结构形成CEC 有机质(含量与性质)土壤生物类群与功能与功能(物质迁移)土壤pH ……根际微生态系统的调节（1）：微生物菌剂（肥料）功能：提供养分—固氮、解磷、解钾拮抗作用促生作用问题：效果不稳定高产条件下提供养分的作用？竞争生态位的能力（定殖，细菌和真菌）竞争碳源的能力（生长发育）根际微生态系统的调节（2）：养分与活性物质1、平衡营养2、活性物质生物源促生、状根、抑病3、施用方式叶面、根际问题：活性物质的稳定性三、土壤微生物与氮循环和氮管理全球陆地和海洋生态系统活性氮的来源及通量（2010年)生物固氮光电固氮燃烧氮肥农田固氮生物固氮30 ±10%5 ±50%58 ±50%120 ±10%60 ±30%140 ±50%陆地海洋全球活性氮投入量：413 Tg N/a人类活动的投入量：210 Tg N/aTg = 1012gFowler e t a l. (2013)中国：氮肥29.0 Tg; 生物固氮：4.6Tg; 总量：33.6Tg （Cui et al., 2013）占全球农业生态系统活性氮投入的18.7%占全球氮肥消费量的24.2%对反硝化微生物只能通过改变土壤环境条件，从而降低氮损失硝化抑制剂的应⽤用硝化抑制剂的选择：氨氧化细菌（AOB）氨氧化古菌（AOA）氨挥发量增加方法的选择：水溶肥脲酶抑制剂的应⽤用需要进行更多的应用效果评价结论：新型肥料的开发和施用既要满足作物的养分需求，也要着眼于维持土壤的生物多样性、提高养分利用效率、减少养分损失。

谢 谢。