湖南大學(xué)：環(huán)境修復(fù)原理與技術(shù)作業(yè)

1、湖南大學(xué)碩士課程論文學(xué) 院：環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院 班 級(jí)：2015級(jí)碩士姓 名：張燕茹 學(xué) 號(hào)：S150300381論文題目：淺談土壤微生物修復(fù)原理與技術(shù)在土壤侵蝕中的應(yīng)用課程名稱：環(huán)境修復(fù)原理與技術(shù)2015年10月26日 目錄淺談土壤微生物修復(fù)原理與技術(shù)在土壤侵蝕中的應(yīng)用21.前言22.正文32.1微生物作用于土壤侵蝕過程的機(jī)理32.1.1土壤微生物對(duì)有機(jī)碳自身難降解性的影響42.1.2土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳空間不可接近性的影響42.1.3 土壤微生物對(duì)有機(jī)碳分子交互作用的影響52.2有機(jī)碳穩(wěn)定性和土壤生物群落之間的平衡52.3水土保持的生物措施62.3.2固持土體，改良土壤62.3.3防風(fēng)固

2、沙，凈化空氣63.結(jié)論74.引用文獻(xiàn)7淺談土壤微生物修復(fù)原理與技術(shù)在土壤侵蝕中的應(yīng)用環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院 學(xué)號(hào)：S150300381 學(xué)生：張燕茹摘 要：生態(tài)環(huán)境退化是當(dāng)今世界面臨的重大問題之一,退化的生態(tài)系統(tǒng)的主要特征之一就是土壤侵蝕嚴(yán)重 , 反過來又加劇生態(tài)環(huán)境退化。生態(tài)修復(fù)是治理水土流失的必要而有效的途徑。土壤微生物與土壤營養(yǎng)元素循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)。明確土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定作用的響應(yīng)機(jī)制，有助于進(jìn)一步把握土壤中的微生物在全球碳循環(huán)中的作用，并提利用微生物修復(fù)或改善現(xiàn)有的土壤侵蝕。本文通過闡述微生物作用于土壤侵蝕過程的機(jī)理，從土壤生物本身特性及生物與生境協(xié)同進(jìn)化角度出發(fā)分析了土壤

3、有機(jī)碳的生物穩(wěn)定機(jī)制，展望了未來關(guān)于水土保持中微生物研究的方向。關(guān)鍵字 ：土壤侵蝕；生物修復(fù)原理；土壤碳循環(huán)；土壤微生物1.前言快速發(fā)展的現(xiàn)代科技給人類社會(huì)帶來便利的同時(shí)，也造成了環(huán)境污染與退化等一系列問題。其土壤侵蝕問題日益成為一個(gè)范圍最廣、影響最大的世界性難題。土壤資源作為人類賴以生存和生產(chǎn)的基礎(chǔ),使得人類開始重新認(rèn)識(shí)土壤在環(huán)境中的重要意義,關(guān)注土壤質(zhì)量與環(huán)境間的關(guān)系。土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)較為普遍的生態(tài)環(huán)境問題，是由物理、化學(xué)及生物等多重機(jī)制相互作用形成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，它對(duì)土壤生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅1。全球受水蝕影響的陸地面積為1094Mh公頃，其中751Mha為嚴(yán)重水蝕；風(fēng)蝕面

4、積549 Mha，其中296 Mha為嚴(yán)重風(fēng)蝕1。生態(tài)脆弱區(qū)域的土壤侵蝕，不但讓熟化表土層的流失變薄，還會(huì)使得降水資源轉(zhuǎn)化為地表徑流，破壞土壤有機(jī)碳( Soil organic carbon，SOC)的原有分布，最終造成環(huán)境效益被極大破壞。嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)向傳統(tǒng)的水土保持提出了新的挑戰(zhàn)，生態(tài)修復(fù)就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。土壤侵蝕是土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)過程的重要驅(qū)動(dòng)因素。土壤有機(jī)碳代表了表層陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其微小變化都會(huì)引起大氣CO2濃度的較大波動(dòng)2；明確土壤侵蝕如何影響土壤生物進(jìn)而作用于 SOC，有助于準(zhǔn)確把握土壤侵蝕在全球碳循環(huán)中的作用。同時(shí)，土壤生物作為土壤系統(tǒng)重要的組成部分，參與了土壤碳循

5、環(huán)過程，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中起著很重要的作用。因此，研究土壤侵蝕與土壤生物之間的關(guān)系具有重要意義。侵蝕土壤的生態(tài)修復(fù)是現(xiàn)代水土保持的產(chǎn)物。關(guān)于侵蝕地區(qū)的水土保持工作，長期以來在坡面和小流域尺度進(jìn)行的研究比較多。研究員在總結(jié)小流域封禁治理成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將預(yù)防和治理有機(jī)地結(jié)合在一起，極大地豐富了水土保持的內(nèi)涵；使其具有覆蓋面大、事半功倍的顯著特點(diǎn)；是水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)思路的重大戰(zhàn)略調(diào)整3。自二十世紀(jì)九十年代以來, 有關(guān)國際研究計(jì)劃和組織開展了一系列全球和區(qū)域尺度的土壤侵蝕調(diào)查和評(píng)價(jià)研究。區(qū)域土壤侵蝕研究成果能更直接地為水土保持宏觀決策提供支持,又與全球變化研究相聯(lián)系，所以區(qū)域

6、土壤侵蝕研究己成為土壤侵蝕學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域4-6。2.正文土壤侵蝕是一種自然現(xiàn)象,在我國也常被稱為水土流失。通常土壤侵蝕被定義為“土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程7-8”。對(duì)于土壤的生態(tài)修復(fù)是指在特定的土壤侵蝕區(qū)，通過解除生態(tài)系統(tǒng)所承受的超負(fù)荷壓力，根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，倚靠生態(tài)系統(tǒng)本身自我調(diào)控能力使其從受損狀態(tài)中得到恢復(fù)，或進(jìn)行人為誘導(dǎo)恢復(fù)9。土壤侵蝕修復(fù)措施就其自身來說，目前由生物措施、工程措施和耕作措施三大類構(gòu)成10。其中，生物措施對(duì)于侵蝕土壤的修復(fù)作用是本文關(guān)注的重點(diǎn)。2.1微生物作用于土壤侵蝕過程的機(jī)理近年來，研究者開展了大量侵蝕土壤結(jié)構(gòu)

7、退化，土壤養(yǎng)分再分布等方面研究11-14。例如，劉兆云等12通過研究侵蝕-沉積連續(xù)地形不同部位土壤碳庫的分異特征，發(fā)現(xiàn)侵蝕區(qū)土壤總有機(jī)碳及各組分碳隨侵蝕坡面自上而下明顯下降。喻為等13通過野外徑流小區(qū)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕嚴(yán)重改變了紅壤丘陵區(qū)表層土壤微生物數(shù)量及碳在坡面上的分布格局。進(jìn)而分析在侵蝕背景下，土壤微生物與土壤有機(jī)碳分布、變化之間的關(guān)系。通過大量研究，發(fā)現(xiàn)土壤生物自身對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)15-17。當(dāng)前公認(rèn)的有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制包括18：選擇性保存（selective preservation），指有機(jī)碳自身的難降解性；空間不可接近性（spatial inaccessibility ）

8、，指由于土壤團(tuán)聚體的閉蓄、片狀硅酸鹽的嵌插、疏水性或有機(jī)大分子的包裹導(dǎo)致的有機(jī)碳與分解者和酶的隔離；分子交互作用（inter-molecular interactions），指配位體置換、范德華力弱交互作用、高價(jià)陽離子絡(luò)合等導(dǎo)致的有機(jī)碳的生物有效性下降?；谝陨先N土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制，分別討論微生物在不同機(jī)制中的表現(xiàn)與作用。2.1.1土壤微生物對(duì)有機(jī)碳自身難降解性的影響植物殘?bào)w和根系及淀積物是土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的根本來源，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性還取決于土壤生物代謝后分解產(chǎn)物的難降解性及土壤生物對(duì)植物群落影響的反饋?zhàn)饔?。土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳中很大的比例直接來源于微生物，有證據(jù)表明微生物的再合成在穩(wěn)定有機(jī)碳

9、形成中有重要作用19,20,21。微生物產(chǎn)物如胞壁質(zhì)、幾丁質(zhì)、脂類，主要來源于真菌的色素類物質(zhì)等都屬于難降解有機(jī)碳化合 物19。不同土壤微生物群落對(duì)土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)不同，如細(xì)菌和真菌能夠分解、利用及合成結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)碳21。另一方面，土壤生物也能夠提高土壤有機(jī)碳的活性。除了某些土壤微生物直接分泌粘多糖外，大多數(shù)土壤微生物都具有很短的周轉(zhuǎn)期，生物量通常被認(rèn)為是活性有機(jī)碳組分。更為重要的是，土壤微生物分泌的胞外酶在穩(wěn)定性有機(jī)碳向活性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化中有重要作用22,23 。2.1.2土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳空間不可接近性的影響土壤微生物、微生物胞外酶與有機(jī)碳的空間不可接近性被認(rèn)為是有機(jī)碳穩(wěn)定性的最

10、主要機(jī)制。大量的證據(jù)表明了土壤生物分泌的粘多糖及真菌菌絲促進(jìn)了土壤內(nèi)不同大小團(tuán)聚 體結(jié)構(gòu)的形成24。土壤大團(tuán)聚體的形成阻礙了空氣和水的擴(kuò)散，從而阻礙了團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的分解25；而團(tuán)聚體孔隙對(duì)微型土壤動(dòng)物捕食活動(dòng)的抑制作用及對(duì)微生物群落的影響后果已經(jīng)得到初步驗(yàn)證26,27 。由于微團(tuán)聚體內(nèi)孔隙更?。ㄈ绾芏嗫紫缎∮诩?xì)菌可進(jìn)入的0.2m界限），所以對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大。有機(jī)碳的疏水性通過減少底物表面的可濕性從而限制微生物對(duì)其分解能力。研究表明，土壤微生物活性的增強(qiáng)往往伴隨者土壤疏水性的提高28 ，土壤微生物的生物體和分泌物通常包含較多的疏水性有機(jī)物。微生物群落組成是影響土壤疏水性的重要因素 ，細(xì)

11、菌能夠降解疏水性有機(jī)碳導(dǎo)致疏水性下降29，而砂性土壤內(nèi)真菌生物量 與疏水性之間存在良好的相關(guān)關(guān)系28,30不過，借助選擇性抑制細(xì)菌或真菌的方法，F(xiàn)eeney等31發(fā)現(xiàn)砂壤性土壤中真菌生物量與疏水性在并不存在明顯聯(lián)系。因此，土壤微生物對(duì)土壤疏水性的影響可能比預(yù)想的更復(fù)雜，僅僅依據(jù)微生物總體活性和生物量指標(biāo)已經(jīng)不能滿足研究微生物對(duì)疏水性貢獻(xiàn)的需要，微生物種類及其分泌物性質(zhì)的差異可能會(huì)導(dǎo)致土壤疏水性變化方向不同31 。2.1.3 土壤微生物對(duì)有機(jī)碳分子交互作用的影響有機(jī)碳的礦物表面吸附和與高價(jià)離子的絡(luò)和能夠顯著降低其對(duì)微生物的可利用性，這已為大量的研究所支持32。土壤微生物可以通過分泌無機(jī)酸、有機(jī)酸

12、和聚合物等加速礦物的分解，而其本身和分泌的胞外多聚糖又可以促進(jìn)新礦物的形成33,34 。土壤微生物這個(gè)龐大的類群以豐富多樣的方式影響礦物的形成和分解。以細(xì)菌為例，參與礦物形成的方式可以分為生物誘導(dǎo)和生物控制，前者受環(huán)境條件制約，主要發(fā)生于淹水的厭氣環(huán)境中，細(xì)菌以硫 及各種金屬作為最終電子受體，還原反應(yīng)的代謝產(chǎn)物很活躍，參與隨后的礦物形成過程，形成的礦物往往具有結(jié)晶度差和顆粒大小分布廣等特點(diǎn)；后者受環(huán)境因素的影響小，而主要受到生物代謝和基因控制35 。土壤中的高價(jià)離子，特別是Al3、Fe3與有機(jī)碳絡(luò)和對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)很大36 。不過高價(jià)離子的有機(jī)碳穩(wěn)定作用還與它們對(duì)微生物的毒性有關(guān)，特別是A

13、l3和重金屬污染元素往往能抑制土壤生物活性和有機(jī)碳氮的礦化，導(dǎo)致活性有機(jī)碳組分的積累37 。 2.2有機(jī)碳穩(wěn)定性和土壤生物群落之間的平衡土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性中土壤生物的作用正受到更多的重視，土壤生物群落分別作為 土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的驅(qū)動(dòng)者，其活性和多樣性的提高和維持是陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的保證；但是，我們正面臨著兩難的選擇：提高有機(jī)碳穩(wěn)定性意味著要減少生物呼吸量；而提高土壤生物活性又需要依賴土壤有機(jī)碳的分解過程。Janzen37以農(nóng)田土壤為例，提出了幾種解決兩者矛盾的途徑，即：（1）提高土壤有機(jī)碳回歸量；（2）通過耕作、有機(jī)肥施用和灌溉等措施使有機(jī)碳組分的長期穩(wěn)定和短期降解與生 物需要保持協(xié)調(diào)；（3

14、）加強(qiáng)研究有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)過程和功能，而不限于僅僅追求有機(jī)碳總量的增加。從長遠(yuǎn)看，有機(jī)碳的增加并非總是好的，有機(jī)碳的減少并非總是有害的；同樣，土壤生物分解過程的促進(jìn)并非總是有利的。我們需要的是在不同環(huán)境條件下的有機(jī)碳儲(chǔ)備和消耗的最佳平衡。要達(dá)到這一目標(biāo)，必須重視土壤中有機(jī)碳的生物流動(dòng)過程，特別 是土壤生物作為驅(qū)動(dòng)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庫儲(chǔ)備、釋放和周轉(zhuǎn)的各種因素的研究成為了解全球碳循環(huán)、預(yù)測全球氣候變化及制定統(tǒng)一的限制溫室氣體措施的必需知識(shí)39,40 。但土壤微生物自身對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響和生物穩(wěn)定機(jī)制一直沒有引起足夠重視41,42，基于微生物修復(fù)土壤侵蝕

15、的案例報(bào)道較少，相關(guān)技術(shù)很不完善。目前對(duì)于水土流失的生物治理措施多以宏觀調(diào)控為主。水土保持生物措施主要是林草措施，其中森林植被生態(tài)功能尤其突出，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。2.3.1 保持水土，涵養(yǎng)水源森林地土質(zhì)疏松，孔隙度高，能有效地調(diào)蓄水分，是蓄水保水的“土壤水庫”；林木根系集中分布的根系土壤層能蓄存大量的水分，是林木中最重要的蓄存水分和調(diào)節(jié)水氣狀況的作用層；植物枯枝落葉層一能防止雨滴直接擊濺土壤，增強(qiáng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加土壤抗蝕力，防止表層土壤被雨水剝蝕沖刷；二能蓄存和入滲降水，減少地表徑流；三能分散、 滯緩地表徑流，起到調(diào)節(jié)河川徑流和削減洪峰的作用；四能過濾地表徑流，避免土沙流入河川

16、和水庫，起到泥沙過濾器的作用。2.3.2固持土體，改良土壤森林樹種具有深長的垂直根系以及圍繞其周圍的廣闊的側(cè)根，且在樹木之間根系縱橫交錯(cuò)。這些根系同枯枝落葉層對(duì)地表徑流中的固體物起到攔截過濾作用，能夠有效地固持土體，從而防止了土體滑落面的形成，為消除重力侵蝕如泥石流等創(chuàng)造條件。森林植被形成的郁閉環(huán)境，影響著土壤的濕度；森林凋落物在土壤表面形成的枯枝落葉層，分解后對(duì)土壤的生物、 物理和化學(xué)性質(zhì)有重要影響；森林植被強(qiáng)大根系的生長延伸及代謝分解，可以形成良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度，改善土壤通氣性；菌根和根系分泌物及死亡的根系則有助于森林土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的積累。這些因素能夠加速成土速度，促進(jìn)土

17、壤母質(zhì)形成土壤。2.3.3防風(fēng)固沙，凈化空氣森林具有的大量枝葉有降低風(fēng)速的效果， 營造防護(hù)林，能夠防風(fēng)固沙、 改善小氣候，以林帶作為屏障，可降低風(fēng)速 30%40%。森林除降低風(fēng)速外，大量攜帶細(xì)菌的大粒塵埃隨風(fēng)速降低而下降、 落地，部分細(xì)菌被吸附在表面凹凸不平、 具有絨毛、 分泌黏液及油脂的枝葉上，減少了空氣中細(xì)菌的數(shù)量，對(duì)凈化空氣起到明顯效果；森林通過光合作用吸收的二氧化碳最多，放出的氧氣也最多，科學(xué)家稱之為 “吞碳吐氧機(jī)”。 在人口眾多、 工業(yè)發(fā)達(dá)、 環(huán)境污染尤其嚴(yán)重的今天，要吸收二氧化碳，增加氧氣，植樹造林是最有效的途徑。3.結(jié)論有機(jī)碳的損失途徑較多，但土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性和大氣CO2 濃度

18、的增減最終依賴于有 機(jī)碳的生物穩(wěn)定性。經(jīng)過土壤有機(jī)碳土壤微生物之間密切的協(xié)同進(jìn)化，導(dǎo)致SOC動(dòng)態(tài)分布及微生物的分解過程的形成，這些都是影響有機(jī)碳短期循環(huán)和存儲(chǔ)的重要因素 38 。從微生物活動(dòng)與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的協(xié)同進(jìn)化思想出發(fā)，土壤微生物與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的關(guān)系正成為我們進(jìn)一步理解有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的橋梁，為此，今后需要加強(qiáng)以下方面的研究：（1） 土壤生物對(duì)植物或土壤有機(jī)碳再合成的影響，可以借助同位素標(biāo)記技術(shù)和某些 生物標(biāo)志物研究土壤生物對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。（2） 聯(lián)系地上部地下部系統(tǒng)研究土壤微生物對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，如土壤生物對(duì)地上部影響和反饋?zhàn)饔眉暗厣喜康南M(fèi)者或管理措施對(duì)土壤生物群落

19、的影響。（3）加強(qiáng)特定環(huán)境和土壤條件下有機(jī)碳生物穩(wěn)定性的研究，如選擇不同環(huán)境條件下（水分、溫度、污染等脅迫條件），不同土壤條件下（氣候、土壤、植 被等自然因素）及不同管理措施（施 肥、耕 作、灌溉等人為因素）。（4）探索不同管理措施下土壤生物群落特征有機(jī)碳穩(wěn)定性和分解 過程的聯(lián)系，協(xié)調(diào)有機(jī)碳分解的生態(tài)服務(wù)與有機(jī)碳長期穩(wěn)定性之間的關(guān)系。4.引用文獻(xiàn)1 Lal R. Soil erosion and the global carbon budget. Environment International, 2003, 29(4): 437-4502 Post W M ， Em anuel W P，

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