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土壤的功能范文1
关键词 水田；蔬菜地；苗木地；茶园；果园；供氮能力
中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）13-0239-02
土壤氮素是土壤肥力的重要组成部分，是作物生长发育所需养分的重要来源。即使在施用大量氮肥的前提下，作物吸收的氮素至少有50%以上来自土壤[1]。土壤供氮能力是指土壤在作物生长期间能为作物提供的可利用的有效氮量，包括初始矿质氮和可矿化氮[1]。因此，精确地评价土壤氮的供应能力，合理施用氮肥，提高氮素利用率，不仅对推荐经济施肥和提高作物品质有重要意义，而且有助于认识和控制因过量施用氮肥造成的环境危害[2]。土壤氮素供应能力不仅与土壤类型有关，也可因环境条件、土地利用方式及施肥等的改变发生变化[2-5]。
近30年来，随着产业结构的调整，我国许多农区的种植制度和利用方式发生了很大的变化，其中水田改种蔬菜、果树、茶叶、苗木等在我国南方地区非常普遍。水田改旱后土壤水分管理与水分状况发生了明显的改变，同时农田养分的投入与管理方式也发生了很大的变化。
为了了解水田改旱后对土壤氮素的影响，采集了30组水田改种蔬菜、苗木、果树和茶树的成对表层土壤样品，分析并探讨了水田改旱种植蔬菜、苗木、果树、茶树后土壤供氮能力的变化。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
研究共在浙江省范围内采集了30对土样（水田与对应的由水田改种蔬菜、苗木、果树、茶树的农田，成对水田与改旱农田采于同一地点的同类土壤），其中，水田改种蔬菜、水田改种苗木、水田改种果树、水田改种茶树的农田分别为8、8、8、6对。采样深度为0～15 cm。所采集土样为混合样，每一土样由10个分样混合而成。选择的水田长期种植水稻，而相应的改旱农田均在10年以上。
1.2 分析方法
2.4 影响土壤氮供应能力变化的原因分析
相关分析表明，土壤中初始矿质氮与全氮无明显相关关系（表5），这表明高施肥量是导致土壤矿质氮较高的主要原因；但土壤pH值与初始矿质氮呈负相关，可能是由于长期高量施用氮素导致了土壤的酸化。可矿化氮与可利用总氮与土壤全氮呈显著的相关，与土壤pH值呈轻微的正相关，表明土壤的可矿化氮主要与土壤氮素的积累程度有关，而改旱后土壤总氮的下降可能是可矿化氮下降的主要原因。而土壤酸化可能会影响土壤微生物的活性，从而在一定程度上影响了土壤氮素的矿化。
3 结论
试验结果表明，水田改种旱作后，土壤初始矿质氮除蔬菜地有增加外，其他用地均呈现下降；土壤可矿化氮和可利用总氮（初始矿质氮和可矿化氮之和）呈普遍下降。研究认为，水田土壤的供氮潜力一般大于相邻旱地土壤；从土壤供氮特点来看，相对于蔬菜地、苗木地、果园和茶园，水田更具有可持续利用性。
4 参考文献
[1] 朱兆良，文启孝.中国土壤氮素[M].南京：江苏科学技术出版社，1992.
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[3] 徐阳春，沈其荣.有机肥和化肥长期配合施用对土壤及不同粒级供氮特性的影响[J].土壤学报，2004，41（1）：87-92.
[4] 闫德智.太湖地区三种主要类型土壤的供氮能力研究[J].安徽农业科学，2011，39（14）：8391-8394.
土壤的功能范文2
关键词：土壤微生物；环境胁迫；响应机制；农业发展；土壤肥力；农作物；种植产量 文献标识码：A
中图分类号：S154 文章编号：1009-2374（2017）11-0145-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.11.074
1 概述
地球表面最表层覆盖的是土壤，土壤不仅是自然资源中最与人接近的资源，还是分布量最大的资源，几乎在地表上到处都有土壤，可以说土壤与人类的生产生活紧密相连。同时，土壤作为大自然赋予的保护层，对维护自然生态系统的稳定性有重要意义，对此必须重视对土壤生态系统功能的养护，加强对破坏土壤营养成分的因素进行分析，以便提高土壤在环境中的抵抗力。众所周知，土壤生态系统自成一个完整的循环体，在土壤中生存了大量具有多样性特点的生物群落，正因为这些生物具备多样性特点，且含有对土壤起到积极影响的营养元素，才能维持土壤生态循环系统的平衡，并且部分微生物是参与地球化学循环必要物质，对植物生长、气候调节等陆地生态系统的生态功能起到不可替代作用。因此，探索微生物群落对环境的胁迫所引起的环境变化做出的响应，根据微生物响应机制做出调整，提高土壤自身生态功能的稳定性是十分必要的。
2 土壤微生物与环境胁迫之间的联系
环境胁迫是指在自然界中，环境对其范围内存在的生物产生了一定程度的威胁和制约，破坏了生物的自然生长和存在，这种胁迫主要是受到外来因素的干扰，例如受到天灾冰冻、洪涝、盐碱等或者受到人为的干扰如倾倒垃圾、碾压等。土壤作为自然环境中四处存在的物质，其受到环境的影响作用十分V泛，并且长期以来，由于人类工业化发展和城市化的变革，给土壤生态环境造成了难以想象的破坏。
在环境给土壤造成的破坏之中，突出的土壤污染表现为土壤重金属沉积，大量重金属经过日积月累，会导致土壤的生态系统失去平衡，造成土壤中微生物群落活性降低，使微生物生长逐渐朝向单一化演变，最终导致土壤的机能下降。已知关于土壤微生物对环境胁迫的响应机制研究中，人们多数是将重金属污染作为研究生物和环境胁迫的切入点。目前，科研人员已经发现了重金属在土壤中的沉积，会对土壤内部微生物群落多样性以及土壤生态稳定性等多方面造成影响，从这个角度切入进行实验，可以获得多项研究结果，有利于科研对比实验的展开。
3 土壤微生物多样性及土壤生态稳定性研究方法分析
3.1 土壤微生物多样性研究
土壤微生物群落因为自身的物质特点具备多样性的性质，正是由于微生物群落的多样性，为土壤提供了充分的营养，能够维持土壤生态系统平衡。而要想探究土壤微生物对环境胁迫的影响机制，首先就要了解土壤微生物多样性，对土壤微生物多样性的掌握有利于提高人们认识微生物的生态功能。测量土壤微生物群落多样性主要利用培养方式进行实验，传统的测量方法有底物利用分析法、分离培养分析法，也有依靠新技术产生的新兴研究方法，比如说高通量同高分辨率结合的宏基因组学分析法。在研究过程中，根据所具备的实验条件选择恰当的实验方法，对土壤微生物群落多样性进行分析和记录，在反复比对实验数据后得出土壤微生物群落多样性特征。目前，实验研究人员会根据微生物群落多样性的差异做出区分，多以微生物群落α多样性、β多样性和γ多样性为研究内容。
3.2 土壤生态稳定性研究
实际上，土壤生态稳定性决定了土壤在遇到环境胁迫时的响应机制反应度，土壤生态稳定性是指生态系统在面临外部环境发生变化，对土壤的各个方面的性能和生态性造成影响时，可以利用自身功能与性能抵抗外部侵袭的影响，使得土壤生态系统能够保持原有的状态。土壤生态稳定性包括了许多方面，但是起到绝大部分作用的有两个，即土壤抵抗力稳定性和恢复力稳定性。这两个功能是土壤本身含有的，不同的是不同的土壤因为具有的微生物群落不同，会体现出不同程度的差异。根据相关数据显示，土壤中的微生物群落如果功能性显示出多样化，并且微生物群落的数量越多，土壤自身的抵抗力稳定性和恢复力稳定性就越大，所以在研究土壤生态稳定性的实验中，研究人员主要讨论的就是这两个功能指标。
4 土壤微生物对环境胁迫响应机制的分析
4.1 土壤微生物群落功能冗余情况
功能冗余一般指具备多项功能的事物会存在生态功能重叠情况，对于土壤微生物群落而言，微生物具有多样性的特征，不同的微生物群落都会存在一些生态功能，这些功能本质上所起到的作用都是一致的。有实验证明，土壤微生物群落中的某些生态功能被剔除后，这些微生物群落的生态系统功能并没有发生太大改变，仍然可以维持原有的生态体系。也就是说，一旦土壤面对环境胁迫，微生物群落会选择脱离出一些个体，来应对环境变化造成的恶果，剩余微生物群落可能会减少微生物种类，使功能结构发生改变，但是这些改变还不足以支持整体土壤微生物群落的正常功能。众多数据显示出，土壤具备功能的稳定性，很大程度上与土壤微生物群落的功能冗余存在联系，正是因为这些功能冗余的原因，会始终保持土壤在自然环境的变化中呈现出平衡性，所以研究功能冗余的物种发挥重要作用可以很好的解释生态系统稳定性的潜在机理，对研究土壤生态系统平衡起到了重要的影响作用。自然微生物群落多样性与功能之间的联系始终都没有得到详细的认知，科学家们对微生物群落的研究体现在多方面，其中非常明确地表示出微生物群落的功能冗余对各种研究都有影响。
4.2 土壤微生物对重金属污染的抵抗性能
当前，社会环境问题严重，给土壤的生态系统造成了严重威胁，除了人为的治理以外，土壤微生物群落在应对土壤环境恶劣情况中发挥了巨大作用。在研究土壤微生物群落对环境胁迫的响应机制过程中，人们着重关注了微生物群落对土壤中因重金属带来的环境变化进行抵抗并自我恢复的研究，经过多项实验观察，确定了微生物群落在面对重金属物质的胁迫时能够及时激发响应机制，助力土壤保持生态系统稳定平衡。当土壤微生物群落感受到重金属的威胁时，一般会采取自动应对机制，形成相应的能力。其一，当重金属物质入侵土壤后，土壤中的微生物群落会改变性质，由耐受型微生物群落逐渐取代敏感型；其二，当遇到重金属量过大时，土壤中的微生物群落会发生对这些重金属的水平转移，会逐渐在群落内部生成抗性基因，对抗重金属；其三，有可能在遇到重金属入侵时，土壤微生物群落发生物种遗传变异，从初始微生物群落开始逐渐产生的新的群落会具备这些抗金属性能。在对抗重金属入侵过程中，土壤中用以对抗重金属的微生物群落还是会受到影响，时间越长，这些对抗重金属的微生物群落对抗性能和恢复性能降低越快，在面对环境胁迫时，土壤生态系统的稳定性更多还是依靠耐受型微生物群落和抗性基因转移（水平转移）。
4.3 环境胁迫下土壤微生物的其他机制
环境胁迫一旦发生，会引起原核生物与真核生物细胞产生蛋白质错误折叠与聚合。当环境胁迫为热胁迫，此时土壤微生物群落中的细菌会发生蛋白质变性与聚合，温度超过一定的限定值后会在原有细菌内部的蛋白质基础上诱变为热激蛋白，其内部含有分子伴侣，作用于细胞蛋白质，能够防止出现聚合或者降低蛋白质错误折叠，并且在热激蛋白中存在一种非蛋白酶，这种酶的作用是降解不可逆损坏的多肽。
5 结语
总之，当土壤遭遇环境胁迫时，土壤微生物群落会依靠自身的生态功能引发响应机制，应对已经发生的环境胁迫。但是单靠土壤微生物自发性的响应机制仍然不够，随着社会环保观念的加强，要持续加大投入研究土壤微生物对环境发生胁迫时响应机制的内容。就我国当前的实际情况而言，更要注重对土壤中的重金属抗性基因转移（水平转移）做深入研究，找出科学方法提高土壤微生物群落的生态活性，加强土壤微生物群落对重金属的抗性，以便提高土壤肥力，为恢复土壤生产力奠定坚实基础。
参考文献
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[4] 李晶，刘玉荣，贺纪正，郑袁明.土壤微生物对环境胁迫的响应机制[J].环境科学学报，2013，（4）.
土壤的功能范文3
摘要:土壤风蚀 防治技术 保护性耕作引 言摘要:土壤风蚀是干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地沙漠化和沙尘暴灾难的首要环节,也是世界上很多国家和地区的主要环境新题目之一。全球极易发生土壤风蚀的地区包括摘要:北非、近东、中亚、东南亚部分地区、西伯利亚平原、澳大利亚、南美洲南部以及北美洲的干旱、半干旱地区。目前,全球有9亿人口受到沙漠化的影响;2/3即100多个国家和地区受其危害;全球陆地面积的1/4,即3.592×109hm2受到沙漠化的威胁。每年因沙漠化造成的经济损失约达423亿美元[1.其中,我国受土壤风蚀及土地沙漠化影响的面积占国土总面积的1/2以上[2,主要分布于北方,尤以旱作农田为甚。土壤风蚀严重影响了这些地区的资源开发和社会经济的持续发展。土壤风蚀新题目愈来愈受到国际社会的广泛关注。
1、风蚀发生气理
1.1 沙粒起动机制
土壤风蚀是指一定风速的气流功能于土壤或土壤母质,土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程[3.它的实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀过程。风蚀过程主要包括土壤团圆体和基本粒子的分离、输送和沉积[4.
土壤的功能范文4
关键词：B/S架构：土壤墒情：自动监测系统
土壤水分是气候、生态和农业系统的关键要素，随着近年来全球变暖气候异常的加剧，各种极端天气现象不断增多，特别是干旱、洪涝对农业生产带来很大的影响。传统的土壤墒情观测往往以人工为主，准确率较低，时效性也不好，为满足新时期抗旱工作的需要，连续观测土壤墒情变化，宿迁市共建成7个DZN1型土壤水分观测仪，在土壤墒情监测中发挥着越来越重要的作用。如何使用土壤水分观测仪所采集的数据为农业生产服务，开发基于WEB页面的土壤墒情自动监测系统，已成为当务之急。
1.DNZ1型自动土壤水分观测仪
上海长望气象科技有限公司生产的DXN1自动土壤水分观测仪，应用频域反射法（FDR）原理来测定体积含水量，它由传感器发出100 MHz高频信号，传感器电容（压）量与实测层次土壤的介电常数呈函数关系。由于水的介电常数比一般的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分变化时，其介电常数也相应变化，测量时传感器给出的电容（压）值也随之变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，得出土壤水分观测值，并按一定的格式存储在采集器中。
自动土壤水分观测仪能实时自动采集8个土层深度的土壤水分数据，分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，每隔1min读取测量结果，每10个测量数据作质量控制后的算术平均即为该10min的观测值，1 h内6个10min观测值的算术平均即为该小时观测值。自动土壤水分观测仪可以方便、快速地在同一地点进行不同层次的土壤水分观测，获取具有代表性、准确性和可比较性的土壤水分连续观测资料。
2.土壤墒情自动监测系统的技术结构
宿迁市土壤墒情自动监测系统采用分层和模块化的设计方法，依托DzNl自动土壤水分观测仪的采样数据，按照B/S（浏览器/服务器）架构设计，服务端是系统数据库，采用SQL Server 2008 R2开发，数据库中存放各种土壤信息资料，包括体积含水率、相对湿度、重量含水率和水分贮藏量等数据，服务端维护升级方便，适合多用户同时在线访问。系统数据从架构上分为源数据层、基础质控层、基础数据层和产品数据层（图1）。
3.系统主要功能
用户输入具有权限的用户名和密码，进入宿迁市土壤监测系统，主界面左边为导航栏，点击可以切换不同的界面功能，分别有实时数据查询、历史数据查询、土壤图表对比分析、色斑图等6部分功能模块。
3.1实时和历史数据查询功能
根据业务工作需要，选择所需查询的站点、土壤信息和时间区间，系统将显示所需时段的土壤体积含水量、相对湿度、重量含水量和水分贮藏量等数据。并按气候极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查对原始数据作质量控制，剔除错误数据，使输出的数据更加贴近真值（图2）。
3.2土壤数据对比分析功能
根据业务工作需要，可以选择多时次、多站点的土壤观测数据，系统将自动形成各个站点变化曲线图，直观地输出每个站点的变化趋势以及站点间的土壤信息对比，并可输出到Excel表格，便于对观测数据的后续使用和分析。
3.3土壤墒斑图功能
为了更直观地反映宿迁市土壤墒情分布状况，系统采用了色斑图方式来标注土壤墒情特性（图3）。干旱指标依据中国气象局农业气象观测规范的标准，即以20 cm土层的土壤相对湿度分别降至60%、50%、40%以下作为轻、中、重旱的标准。系统利用编程调用Golden software surfer 8.0函数来实现色斑图的绘制，具有很强的移植性。
气象服务人员可以根据全市土壤相对湿度色斑图和土壤相对湿度表，结合当前农作物所处发育期进行作物生长影响评价，并根据未来天气形势，提出针对农业生产的分析建议，以文字、图形、表格形式定期全市土壤墒情监测信息。
3.4干旱预警功能
系统根据全市各土壤水分站点进入不同干旱等级的时间为截点，以短信、界面提示等方式提醒相关业务人员，业务人员依据预警信息和系统监测资料，及时向相关部门和领导干旱预警信息，确保气象部门能够在第一时间发现旱情，提高气象部门在旱情发生时的预警时效性。
土壤的功能范文5
人类由于长期以机械、电力等重工业为主，在带来经济效益的同时也造成了严重的环境污染和生态破坏。其中土壤污染，尤其是重金属污染，已成为影响全球城市居民健康的重大问题之一。土壤污染不同于大气污染和水污染，具有不可逆性、长期性、稳定性和滞后性，且不易在物质循环和能量交换中分解(Lietal．，1991)。当有毒物质的积累超出土壤的承受能力或环境条件发生变化时，可能会突然活化，严重危害环境。目前，固化、热处理、土壤冲洗、电动修复等技术，可用于污染土壤的修复，但这些方法不仅修复费用昂贵，而且常导致土壤结构破坏、土壤生物活性下降和土壤肥力退化(骆永明，1999)。研究表明:植物不但具有抵抗和净化大气污染的能力，而且具有对污染土壤的净化能力(黄会一，1989;王庆仁等，2001)。因此，可以通过植物的新陈代谢活动来固定、提取土壤中的重金属污染物，达到治理土壤污染的目的。植物修复不但成本低廉，而且也可减少土壤重金属污染风险，不破坏土壤环境质量。因此，植物修复越来越受到世界的关注。为了揭示哈尔滨市区绿地土壤重金属污染的现状及不同植物对重金属的富集情况，找出哈尔滨市区主要的污染因子、污染途径以及治理方法，本文对哈尔滨市区6个功能区土壤－植被进行研究和综合评价。
1研究区概况
哈尔滨地处松嫩平原，125°42''''—130°10''''E，44°04''''—46°40''''N，是我国纬度最高、气温最低的大都市。属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，四季分明，年平均温度3.6℃。最冷的1月平均气温为－13.2～－24.8℃，最热的7月平均气温为18.1～22.8℃。全年平均降水量569.1mm，降水主要集中在6—9月，夏季占全年降水量的60%。哈尔滨市区地域平坦、低洼。东南临张广才岭支脉丘陵，北部为小兴安岭山区，中部有松花江通过。地带性土壤为黑土，呈中性至微碱性。有机质含量为30～80g•kg－1，全氮含量为2～9g•kg－1，全磷含量为0.8～3g•kg－1，全钾含量为20～30g•kg－1，碱解氮平均含量为148mg•kg－1，有效磷平均含量为15mg•kg－1，速效钾平均含量为227mg•kg－1。
2材料与方法
2.1绿地划分
本试验选择哈尔滨市区作为研究对象，把绿地划分为森林与苗圃绿地、城市公园绿地、工业区绿地、农业用地、松花江沿岸绿地、市区公路两旁绿地6个功能区，共设置50个采样点，每个采样点的经纬度均用GPS定位。采样点具置和基本情况见表1，采样点分布见图1。
2.2样品采集
2.2.1植物样品
根据采样地区树种分布情况，分别选取树龄相近、长势良好、无病虫害的植株，在树冠的东、西、南、北4个部位(乔木距地面约2.5m处，灌木距地面约1.5m处)采取植株的1年生饱满枝条(含叶)，将采集的枝条(含叶)混匀。将采集的植物样品带回实验室，分别用自来水充分冲洗，再用去离子水冲洗，在80℃下于烘箱中烘至恒量，粉碎并过100目尼龙筛，放入封口袋备用。
2.2.2土壤样品
在所采集的植物样品四周用土壤钻采集0～15cm的表层土壤样品，装入塑料袋并充分混合(约1kg)，贴好标签。将采集的土壤样品带回实验室，自然风干，除去土样中的石子和动植物残体等异物，用木棒研压，过2mm尼龙筛，混匀。用玛瑙研钵将通过2mm尼龙筛的土样研磨至全部通过100目尼龙筛，放入封口袋备用。
2.3样品分析
植物样品用HNO3-HClO4消化，土壤样品用HF-HClO4-HNO3消化。植物样品和土壤样品采用高压密闭微波进行消解，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)进行铜、锌全量的测定，原子吸收分光光度法进行铅、镉全量的测定。在测定过程中，样品全部3次重复。以上分析方法依据《中华人民共和国国家标准》(GB/T17141—1997)。
2.4数据分析
Excel2003对数据进行基本处理;SPSS17.0对重金属进行污染指数计算、生态风险评价、相关分析等，对植物进行富集系数计算、多重比较等;ArcViewGIS3.3绘制采样点坐标图。
2.5评价标准与方法
2.5.1土壤污染评价标准和方法
试验选用松辽平原土壤元素背景值(李健等，1989)和《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中二级标准作为评价标准(表2)，对比说明哈尔滨市区土壤重金属环境质量现状。评价方法采用单项(单因子)污染评价和多项(多因子污染综合评价)(李天杰，1996;刘廷良等，1996)。1)单项污染指数法以土壤单项污染物的实测值与评价标准相比，用以表示土壤中该污染物的污染程度。2)综合污染指数法综合污染指数法即为内梅罗指数法(N．C．Nemerow)。
2.5.2植物富集能力评价标准
植物重金属富集量受植物本身特征、大气环境和土壤中重金属含量等多种因素的影响。富集系数(bioconcentrationfactor，BCF)是评价植物富集重金属能力的指标之一，它反映植物对某种重金属元素的富集能力，富集系数越大，其富集能力越强(魏树和等，2004)。
3结果与分析
3.1土壤重金属含量变化
哈尔滨市区50个表层土壤样品重金属含量测定结果的描述性统计分析见表4。变异系数作为反映统计数据波动特征的参数，通过对某元素分布特征的描述可以从一定程度上反映其积累的分布与均一状况。相同重金属在不同功能区的变异系数不同，一般工业区绿地的重金属变异系数相对较大，而农业用地的重金属变异系数相对较小。工业生产制造过程中废弃物的排放很可能是造成土壤中重金属分布不均匀的主要原因。4种重金属的平均变异系数(对每种重金属在6个功能区的变异系数之和取平均值)依次为28.44，24.56，42.65，36.21，变化幅度为42.65%～24.56%。其中镉的平均变异系数最大，达42.65%，而铜的变异系数最小为24.56%。4种重金属的平均变异程度由大到小的顺序为镉＞铅＞锌＞铜。由表4可知，4种重金属含量的平均值均不同程度超过了土壤环境背景值。全锌含量范围在51.10～252.00mg•kg－1，最高点出现在样点26(哈药集团药剂厂)，达252.00mg•kg－1，是背景值的4.36倍;最低点出现在样点13(城乡木材供应站)，为51.10mg•kg－1。全铜含量范围在13.29～68.07mg•kg－1，最高点出现在样点29(林业机械厂)，达68.07mg•kg－1，是背景值的3.24倍;最低点出现在样点3(第二苗圃)，为13.29mg•kg－1。全镉含量范围在0.091～0.725mg•kg－1，最高点出现在样点29(林业机械厂)，达0.725mg•kg－1，高出背景值10.98倍;最低点出现在样点1(江北太阳岛)，为0.091mg•kg－1。全铅含量范围在8.52～63.99mg•kg－1，最高点出现在样点28(锅炉厂)，达63.99mg•kg－1是背景值的3.19倍;最低点出现在样点19(望哈农场绿地)，为8.52mg•kg－1。根据不同采样点所位于的功能区可知，重金属污染最严重的样点均位于工业区，而污染较低或未发生污染的样点则位于森林与苗圃绿地或农业用地等受人为因素干扰较小的地区。其中，全部样点的重金属镉含量超过其背景值，最高样点已超出近11倍。镉是严重的污染元素，对于人体来说是非必需元素，吸入含镉气体可致呼吸道症状，经口摄入镉可致肝、肾症状。有研究表明:土壤中的镉含量大于0.5mg•kg－1时，大豆(Glycinemax)等农作物就会受到生理毒害(刘廷良，1996)。因此，为了人类和其他生物的健康，应对重金属镉污染予以高度重视。
3.2土壤重金属污染评价
3.2.1单因子污染评价
把松辽平原土壤环境背景值作为一级标准，计算哈尔滨市区50个样点表层土壤各种重金属的单向污染指数见表5。由表5可知，哈尔滨市区各功能区土壤存在不同程度污染。锌单因子污染指数在工业区绿地介于中污染和重污染之间，其他5个功能区单因子污染指数值在1～2之间，属于轻污染。土壤表层锌含量达二级标准的样品数占98%。土壤表层锌含量超出环境背景值的样品数达到98%。土壤表层全锌含量工业区绿地最高，农业用地最低。含量排序是:工业区绿地＞市区公路两旁绿地＞城市公园绿地＞松花江沿岸绿地＞森林与苗圃绿地＞农业绿地。铜单因子污染指数在森林与苗圃绿地、农业用地、松花江沿岸绿地均小于1，可视为未污染;在工业区绿地和市区公路两旁绿地单因子污染指数值位于1～2之间，属于轻污染。土壤表层铜含量达二级标准的样品数占100%。土壤表层铜含量超出环境背景值的样品数达到60%。土壤表层全铜含量工业区绿地最高，松花江沿岸绿地最低。含量排序是:工业区绿地＞城市公园绿地＞市区公路两旁绿地＞农业绿地＞森林与苗圃绿地＞松花江沿岸绿地。镉单因子污染指数在工业区绿地、市区公路两旁绿地均大于3，其中，工业区绿地为5.61，达到重污染;其他功能区单因子污染指数均在2～3，属于中污染。土壤表层镉含量达二级标准的样品数占84%。土壤表层镉含量超出环境背景值的样品数达到100%。土壤表层全镉含量工业区绿地最高，森林与苗圃绿地最低。含量排序是:工业区绿地＞市区公路两旁绿地＞松花江沿岸绿地＞农业绿地＞城市公园绿地＞森林与苗圃绿地。铅单因子污染指数在农业用地、松花江沿岸绿地均小于1，可视为未污染;其余4个功能区单因子污染指数在1～2，属于轻污染。土壤表层铅含量达二级标准的样品数占100%。土壤表层铅含量超出环境背景值的样品数达到84%。土壤表层全铅含量市区公路两旁绿地最高，松花江沿岸绿地最低。含量排序是:市区公路两旁绿地＞工业区绿地＞城市公园绿地＞森林与苗圃绿地＞农业绿地＞松花江沿岸绿地。综上所述，不同功能区土壤重金属污染水平对比分析结果是:土壤重金属锌、铜、镉在工业区绿地含量大，其中重金属镉含量最大，为背景值的5.61倍。镉主要来自冶炼、电池、电镀、颜料、涂料、塑料稳定剂等工业排放，与工业发展密切相关(Lietal．，2002)。其次是锌、铜、铅，单项污染指数依次为3.00，2.60，1.78;土壤重金属铅在市区公路两旁绿地含量最高，这可能与前些年机动车大量使用含防抗剂四乙基铅的燃料有关(黄敏等，2010)。重金属铅随汽车尾气排放，进而积存在公路两侧的土壤中，造成铅污染。
3.2.2污染生态风险评价
对土壤重金属污染研究的目的是评估土壤污染状况，预测土壤污染的生态风险，防止土壤污染加剧，保护生态环境，保障农林生产，维护人体健康(Plazaetal．，2005)。而二级标准则是判断土壤是否存在污染的警示性评价，低于此值，一般不会引起生态环境的危害(石宁宁等，2010)。因此，本文选用《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中二级标准作为参照评价标准。计算得出不同功能区重金属生态风险指数，见图2。由图2可知，与国家环境质量标准比较，工业区绿地土壤重金属镉指数超标，为1.23;其他功能区重金属含量均在标准以内。各功能区镉的风险指数均为最高，此结果与单向污染指数相似，说明镉具有潜在的污染危险，应予重视，监测其含量的动态变化，防止污染加重。
3.2.3综合污染指数评价
综合污染指数选用内梅罗指数法(N．C．Nemerow)，兼顾多种污染物的污染水平和某种污染物的严重程度。从图3来看，综合污染指数的平均值为2.65，属于中污染。农业用地、森林与苗圃绿地综合污染指数分别为2.00和1.98，为轻污染;市区公路两旁绿地、松花江沿岸绿地、城市公园绿地综合污染指数分别为3.00，2.25和2.07，为中污染;而工业区绿地污染最为严重，综合污染指数值达到4.58，属于重污染。各功能区综合污染指数由大到小依次为:工业区绿地＞市区公路两旁绿地＞松花江沿岸绿地＞城市公园绿地＞农业用地＞森林与苗圃绿地。各功能区综合污染指数说明工业区绿地已经受到严重污染，其程度远超过其他功能区。表明工业化程度与城市土壤中重金属的含量密切相关(Madridetal．，2002)，哈尔滨作为东北老工业基地之一，已经从事重工业长达几十年之久，冶炼厂、发电厂、机械厂、锅炉厂、化工厂、轴承厂等企业向环境释放了大量含铅、镉、铜和锌的废弃物，其在城市中以不同方式蔓延，这很可能是造成工业区土壤中重金属含量过高的原因。市区公路由于车流量大，机动车辆尾气排放、轮胎橡胶磨损产生大量重金属污染物，造成其较大程度污染。这与余健等(2010)的研究结果相一致。同时，近年来哈尔滨为了加快城市发展建设，大兴土木，广泛修筑地铁、桥梁等设施，所用建筑材料的磨损、运输物品的泄露以及大型器械的运转也同样会产生重金属污染物，导致距离公路较近的地域各种重金属含量相对较高。这与李仰征等(2011)的研究结果相一致。
3.2.4土壤重金属含量相关分析
由于造成土壤污染的重金属元素共存于土壤中，导致重金属元素在总量上相关(叶琛等，2010)。为了解各重金属元素之间的相关性，在以上分析的基础上，对调查的全部土壤样品重金属元素两两之间进行相关分析。从表6可以看出，4种重金属含量之间呈正相关关系，而且都达到了显著或极显著水平。这说明各种重金属之间关系密切，源途径相似，各采样区同时受到几种重金属元素污染的可能性较大，即土壤污染存在复合污染特性(许书军等，2003)。
3.3植物重金属污染评价
3.3.1植物重金属含量
锌、铜是植物生长发育所必需的微量元素，但土壤环境中过多的锌、铜元素也会对植物的正常生长造成干扰和胁迫。在植物体内，锌和铜正常的浓度水平分别在27～150mg•kg－1和5～30mg•kg－1(Kabata-Pendiasetal．，1986)。所调查植物中，重金属锌的含量普遍偏高，平均值为49.91mg•kg－1，不同种植物之间锌含量差异显著(P＜0.05，n=40)(图4)。重金属铜的含量差别较小，均在10mg•kg－1左右，不同种植物之间铜含量变化不明显(P=0.334，n=40)(图5)。镉对于植物虽然是非必需的元素，但是，它非常容易被植物吸收，只要土壤中镉的含量稍有增加，就会使植物体内的镉含量增高。不同种类植物中重金属镉的含量差别很大，其中，旱柳镉含量最高，达0.105mg•kg－1，樟子松镉含量最低，为0.016mg•kg－1，前者是后者的6.6倍。不同种植物之间镉含量差异极显著(P＜0.01，n=40)(图6)。土壤中的铅不易被植物吸收，即使进入植物根系也只有很少部分能向地上部转移。植物对铅的吸收量具有明显选择性。重金属铅对红松和花盖梨的选择性相对较大，二者的铅含量分别为9.02mg•kg－1和6.63mg•kg－1，不同种植物之间铅含量差异极显著(P＜0.01，n=40)(图7)。综上所述，对同一树种而言，锌的含量明显高于其他3种重金属，镉的含量最低;4种重金属的含量由高到低的顺序为:锌＞铜＞铅＞镉。由此说明，同种植物对不同重金属的吸收富集能力不同。对同一种重金属而言，不同植物重金属的含量不同，其中，锌、铅含量差别较大，镉含量差别最大。由此说明，不同植物对同种重金属的吸收富集能力不同。Baker等(1983)认为，植物地上部(干质量)中含镉达到100mg•kg－1、含铅达到1000mg•kg－1、含锌达到10000mg•kg－1以上的植物才能称为超富集植物。因此，所测树种中并未发现超富集植物。
3.3.2植物重金属富集系数
不同植物体器官由于外部形态及内部结构不一致，其吸收重金属的生理生化机制不同，从而对所吸收重金属的积累量也不尽相同(许嘉琳等，1995)。富集系数是植物地上部和土壤中重金属含量的比值，是评价植物富集重金属能力大小常用的指标(孙龙等，2009)。由表7可知，不同植物对重金属的富集能力明显不同。对锌富集能力较强的植物有花盖梨、小叶杨，较弱的植物有红松、紫丁香;对铜富集能力较强的植物有小叶杨、樟子松，较弱的植物有花盖梨、紫丁香;对镉富集能力较强的植物有小叶杨、红松，较弱的植物有紫丁香、樟子松;对铅富集能力较强的植物有红松、花盖梨，较弱的植物有樟子松、紫丁香。各种植物重金属锌的富集系数由高到低依次为:花盖梨、小叶杨、旱柳、樟子松、榆树、红松、紫丁香;铜的富集系数依次为:小叶杨、樟子松、榆树、红松、旱柳、花盖梨、紫丁香;镉的富集系数依次为:小叶杨、红松、旱柳、榆树、花盖梨、紫丁香、樟子松;铅的富集系数依次为:红松、花盖梨、榆树、旱柳、小叶杨、樟子松、紫丁香。
3结论与讨论
土壤的功能范文6
关键词：土壤微生物；高通量测序；生物多样性
中图分类号：S154.37文献标识码：A文章编号：16749944（2013）08020303
1引言
土壤是一个非常复杂的生态环境体系，土壤微生物学作为微生物学的一个分支，一直在研究之中。土壤微生物是土壤的重要组成部分，是生态系统中重要的消费者和分解者，其群落结构多样性及变化在一定程度上反映了土壤的质量和稳定性。土壤微生物多样性是指微生物生命的丰富性及在遗传、种类、生态系统层次上的变化，同时反映微生物群落的稳定性。许多研究已经证实， 通过传统的DNA分离方法测定出来的土壤微生物只占到环境微生物的0.1%～10%[1， 2]。传统的土壤微生物研究方法如微生物平板培养法、Biolog鉴定系统法、生物标记法等[3]往往会过低估价土壤微生物的群落结构组成，无法详细描述出土壤微生物的群落结构组成方面的信息，也无法描绘出不同群体的生理差异。随着科学技术的发展，传统的Sanger技术的弊端也日益体现，一方面是因为该方法费时，且一次的反应数有限，另一方面是该技术基于酶法测序，成本较高。随着微生物研究技术的迅速发展尤其是分子生物学技术的发展，土壤微生物学研究专家开发出一系列的研究土壤微生物群落结构的方法[4]，高通量测序技术也随之诞生，慢慢应用到科研之中。
2土壤微生物研究方法
2.1微生物平板培养法
传统的土壤生态系统中微生物群落多样性及结构分析大多是将微生物进行分离培养，然后通过一般的生物化学性状，或者特定的表现型来分析，局限于从固体培养基上分离微生物。这种方法只能培养出极少量的微生物类群，大约占0.1%～10%，无法对绝大多数土壤微生物的分类和群落结构进行深入研究。因此这种培养法局限性比较大，只能应用于特殊微生物的研究[5]。
2.2BIOLOG鉴定系统
BIOLOG系统是Garland于1991年建立起来的一套用于研究土壤微生物群落结构和功能多样性方法。细胞的维持和生长需要能量、碳源和多种无机离子，底物利用是群落中微生物存活和竞争的关键。因此可以根据微生物对碳源利用的方式来鉴定微生物的群落结构。碳数利用法通常用BIOLOG盘来实现。BIOLOG测试盘内有96个小孔，除了一个小孔为对照不含碳源外，其余都含不同的碳源。试验中将碳源和指示剂一起放入平板小孔内，然后将稀释后的细胞悬液接种到各个小孔中，由于微生物利用碳源引起指示剂变化，以此来检测和判断不同土壤微生物群落结构[6]。
2.3分子生物学技术测序方法
在过去的20多年里，分子生物学技术尤其16S rDNA技术已经广泛应用于鉴定未知菌类的研究中。20世纪80年代以来，逐步建立起了以分子系统发育分析为基础的现代微生物分子生态学的研究方法，如PCR-RFLP、PCR-RAPD、PCR-SSCP、荧光原位杂交技术（FISH）、基因芯片（Microarry）、磷脂脂肪酸图谱分析（ Phospholipid fatty acid， PLFA）、稳定同位素探针（Stable Isotope Probing， SIP）、PCR-DGGE/TGGE等[7]，使得研究者能够在分子水平上对土壤微生物多样性进行研究。
但是这些技术只能在科或属水平上分析土壤微生物的群落结构，不能更细致更详细地对土壤微生物进行分析研究。随着科学技术的发展，相继出现了第一代、第二代、第三代高通量测序技术，使得研究人员能在种的水平上对土壤微生物进行研究和分析。
2.4 454高通量测序方法
高通量测序技术[8]是传统测序一次革命性的改变，一次可以对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，在有些文献中也称其为下一代测序技术（next generation sequencing），可见其划时代的改变，同时高通量测序使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能，所以又被称为深度测序。
近年来，以16S rRNA/DNA为基础的分子生物学技术已成为普遍接受的方法。研究表明，400～600碱基的序列足以对环境中微生物的多样性和种群分类进行初步的估计[9]，因此454高通量测序的方法因其读长（400～500bp）长和准确性高的特点大量用于微生物多样性的研究。
因此通过高通量测序法来确定土壤微生物群落结构，从而可以在种的水平上将土壤微生物的群落结构分析出来，然后就可以对土壤微生物的多样性进行分析。并可以对土壤微生物和盐生植被的相互照应关系进行分析研究。
3454高通量测序在土壤微生物研究中的应用
3.1研究土壤微生物的物种多样性
研究微生物物种多样性主要从微生物类群即细菌、真菌和放线菌这三大类群的数目及其比例来描述某个地区某段深度土壤中微生物的多样性，然后根据此地区土壤微生物物种的多样性来探究全球范围内土壤微生物的物种多样性。通过高通量测序测得土壤中土壤微生物的各种菌类组成，以此来研究某个地区土壤中微生物的物种多样性。
3.2研究土壤微生物的功能多样性
研究土壤微生物功能多样性主要从各种微生物的活性及它们的相互作用产生的功能、底物代谢能力及与N、P、K等营养元素在土壤中相互转化的功能等。通过将高通量测序得到的土壤微生物的群落结构及组成和实验测定土壤的几种理化性质及转化过程来了解土壤微生物的功能。
通过实验测得土壤的碱解氮、有效磷、活性有机质、腐殖质理化性质，可以分析地区土壤微生物的功能多样性，以此来探究全球范围内土壤微生物乃至整个微生物的功能多样性。
3.3研究环境的突然变化对土壤微生物菌群的影响
环境的突然改变会导致微生物群落的结构和功能发生变化。近几年来随着全球变暖，土壤微生物的群落结构可能发生了变化，地震、泥石流等自然灾害也会对土壤微生物的群落构成产生影响。Zachary等以重水稳定同位素探测技术（H218O-SIP）鉴定与土壤增湿相关的细菌。先对土壤增湿前土壤微生物进行测定，得到土壤微生物各种组成，然后将土壤增湿后，对土壤中16S rRNA进行高通量测序，发现Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria的相对比例升高，而Chloroflexi和Deltaproteobacteria的比例则降低。作者通过控制土壤湿度的动态变化，对微生物菌群的结构发生变化进行研究，划分生态类群。除此之外，温度的骤变也会对土壤微生物菌群产生巨大的影响。
4454高通量测序技术存在的问题及发
展前景到目前为止，大量的研究者应用454测序技术对多种环境样品的微生物多样性进行了深入研究，这些研究大大增长了人类对微生物的存在和种类的认识。针对不同的研究对象，454测序技术不仅为研究提供了大量数据，证实研究对象所含微生物具有较高的多样性，而且还建立了一种研究复杂生态系统里的微生物多样性方法。但由于该技术刚刚起步，所以存在一些待解决的问题。首先，随着核酸序列数量上的跨越式累积，生物信息学分析将面临巨大的挑战。另外，海量数据的深入挖掘工作会发现用传统生物学理论难以解释的生命规律，对传统理论的颠覆和新理论的提出与建立将成为不可避免的工作。
虽然存在许多不足，但454测序技术仍以其强大的测序能力渗透到生命科学研究的方方面面，包括那些此前无法用测序来解决的领域。在微生物领域，凭借着 454测序技术各方面的优势，终究会成为未来研究环境基因组的主导测序技术，同时，随着454技术的不断完善，该技术将为微生物生态学研究注入新的动力，成为微生物生态学研究新的亮点，大大加速微生物生态学的发展，增长人类对微生物生态学的认识，为人类探索广袤的微生物资源提供无限遐想。参考文献：
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