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1、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. 11.前言 . 32.正文 . 42.1 微生物作用于土壤侵蚀过程的机理 . 42.1.1 土壤微生物对有机碳自身难降解性的影响 . 52.1.2 土壤微生物对土壤有机碳空间不可接近性的影响 . 52.1.3 土壤微生物对有机碳分子交互作用的影响 . 62.2 有机碳稳定性和土壤生物群落之间的平衡 . 62.3 水土
2、保持的生物措施 . 72.3.2 固持土体，改良土壤 . 72.3.3 防风固沙，净化空气 . 73.结论 . 84.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
3、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
4、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
5、，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
6、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
7、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：选择性保存（ selective pr
8、eservation ），指有机碳自身的难降解性；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；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
9、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
10、 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 0.2 m 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
11、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
12、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
