1、土壤生物与生态学复习指导 第一章绪论 基本概念：土壤生态学 /土壤生态系统。 土壤生态学的概念 土壤生态学是研究土壤生态系统内生物与生物、生物与非生物环境之间的相互作用及功能过程的学科。土壤生态学是研究土壤生态系统的结构、功能及调控规律的学科。 土壤生态学是研究土壤与环境之间相互关系的科学 (徐琪 ， 1990)。 土壤生态学 土壤生物之间及与周围环境相互作用的研究 . 土壤生物学 相对于土壤物理和土壤化学，以生物个体本身为研究重点的学科 . 土壤生物化学 主要研究包括土壤内的微生物过程、土壤酶及土壤内有机质形成和周转的研究 . 土壤微生物学 研究土壤微生物及其生态过程的传统学科 . 微生物生
2、态学 微生物生态学研究的生境包括土壤、植物、 动物、淡水和海洋及沉积物，它包含了部分土壤生物学和土壤生态学的内容 . 土壤生态学的研究内容。 土壤生物与非生物组成份的数量、构成及时空分布； 土壤生物的相互作用及其与土壤环境的关系； 土壤生物群落及生态系统的发展和演替； 土壤生物多样性、生物相互作用与生态功能的关系；土壤生态系统的物质循环、能量流动和信息交换； 土壤生态系统结构和功能的恢复和维持； 土壤生态系统与其他生态系统之间的相互作用。土壤生态工程及各种应用研究结合和发展生态学理论的研究 土壤生态学的研究主要发表在哪些中英文专业杂志上（各举例 3 个）？ 土壤生态学方面的研究报告主要发表在
3、生态学报、应用生态学报、土壤学报、生物多样性、生态学杂志 、 其它土壤及微生物、植物和环境类的杂 志上； Soil Biology and Biochemistry、Microbial Ecology、 Biology and Fertility of Soil、 Plant and soil、 Pedobiologia、 European Journal of Soil Biology、 Agriculture, Ecosystems and Environment、 Biogeochemistry、FEMS Microbiology Ecology、 The ISME Journal 和
4、Ecology Letters、 Ecology、 Journal of Applied Ecology、 Ecological Application、 European Journal of Soil Biology、 Functional Ecology、 Global Change Biology 等刊物上。 我国进行土壤生态学研究的主要科研机构。 中国科学院南京土壤研究所 ， 中国科学院生态环境研究中心 ， 中国科学院植物研究所 ， 浙江大学环境与资源学院 第二章土壤生物的生境 土壤结构 土壤质地 是指土壤中不同大小颗粒砂粒 sand (0.052.0 mm)，粉粒 silt (0.
5、0020.05 mm)，黏粒 clay(0.002 mm) 的相对比例。 土壤质地，一般分为砂土、壤土和黏土三 大类。土壤质地主要继承了成土母质的类型和特点，是较为稳定的自然属性。 土壤质地与土壤持水性能、阳离子交换量， 植物和生物养分的短期库有关；因此土壤质 地的重要性在于它（黏土矿物的类型和数量）决定了土壤保持水分和养分的能力。 质地的测定实际上就是颗粒组成的测定 。 土壤结构 是不同大小的颗粒结合或团聚形成具有一定稳定性的 土块或土团。稳定（力稳、水稳）团聚体的 形成需要物理、化学和生物学因子的相互作用。土壤结构的稳定性常用土壤大团聚体的比例来反映。 一般将直径大于 0.25mm的团聚体
6、视为大团聚体。土壤结构主要不仅受到成土母质的影响，而且也是人类可以调控的属性。 土壤结构很早就被认为是高肥力和高生物活性土壤的标志。良好的土壤结构能够促进水气流通、利于土壤生物的迁移，从而增加营养交互的机会；当然，也利于根系的生长。 土壤结构受到土壤生态学家的强烈关注，其重要性不仅决定了土壤水分和养分的分布和保持能力，而且其创造的孔 隙分布也决定了 土壤生物能否获得栖息空间。 土壤团聚体的传统测定方法 包括干筛和湿筛。但是这种对土壤结构破坏性的测定方法在近期也受到指责。 土壤持水量 是表征土壤能够吸持最大的水分含量的一个指 标，一般是田间持水量和植物永久萎蔫土壤含水量的差值 ， 土壤质地（黏土
7、矿物的类型和数量）、土壤结构及有机质 是重要影响因素。 土壤孔隙不仅是水肥和气体交换的场所，更是土壤生物的栖居场所。 可以说， 土壤孔隙 分布是土壤结构的真正表现。 土壤有机质 的数量和质量是土壤生态系统的重要 性质。对于土壤生态学家来说，土壤有机质的重 要性不仅在于它是土壤结构、土壤养分的决定因 素，更在于它是土壤生物的能量和物质（碳和养分）的来源。 为什么土壤 pH 受到土壤生态学家的关注？ 土壤 pH 也受到土壤生态学家的关注， pH 能够控制养分的有效性（例如磷的有效性）并直接影响土壤的活性 (例如酸性土壤的铝毒）。大部分土壤微生物所能忍受的 pH 范围是 4-9；土壤动物对 pH 也
8、非常敏感，如蚯蚓在酸性土壤中数量很少，而线蚓则较多。 试述土壤有机质对土壤生物群落的重要性？ 土壤酸化来源 ： 1） CO 溶于水形成碳酸； 2）微生物氧化铵形成硝态氮的过程； 3）酸雨、火山喷发、雷电形成硫 和氮的氧化物及长期的风化淋洗过程； 4）含酚类和羧基功能团的有机物分解过程。 生境的时空变异 由于自然障碍对迁移的限制及气候的敏感性，多数大型动植物都有一定的地理分布范围，且我们现在也基本了解物种的全球分布格局。 微生物多样性的地理分布格局和控制因素至今不清楚，一 种流行的观点是微生物属于广布种。比较有说服力的证据来自澳大利亚湖泊沉积物的原生动物研究。另一种推测是微生物 也会呈现一定的地
9、理分布，这种分布反映了微生物对特定环境条件的响应。土壤生物的多度和活性在水平和垂直方向的表现 出高度的空间异质性。由于不同的生物对土壤条件的响应方式不同，不 同类群的生物表现出不一样的空间分布格局。 这种空间异质性可以在几毫米到几百米的尺度上 表现出来，一般与土壤性质相联系。迄今，有关土壤生物空间分布的研究很少，这是 因为空间变异在过去的研究中通常被认为是影响研究结果的随机误差。 然而，研究土壤空间异质分布对我们了解土壤生物群落的发展、多样性的形成及土壤生态功能的影响因素都至关重要 ， 地统计学（ Geostatistics）为空间异质性的定量化及可能原因探索提供了便利。例如，土壤生态学的最重
10、要课题之一便与空间异质性的密切相关。 土壤生物多样性的成因及调控因素 土壤生物多样性的成因：可利用资源的空间异质性 分布可能是不同尺度上土壤生物多样性形成的重要原因。此外，土壤生物异质性分布导致的空间隔离也在很大程度上决定物种之间能否共存，从而影响土壤生物群落结构。 因此，不同管理方式（土地利用、耕作与水肥管理、 种植制度与作物品种等）对土壤空间性质的影响不同，可能对土壤生物多样性的影响也不同。 土壤的四维性 土壤 系统在不同尺度都存在强烈的 三维空间变异，并且同时在不同时间尺度上也存在着第四维变异。 土壤生态学研究的尺度问题 土壤是地球上最复杂的物理环境。 土 壤孔隙等高度的空间异质性为生物
11、提供了不同的栖息环境，这提醒我们了解土壤生物必需注重尺度的选择。 观点：土壤可视为一个异质的生物景观。不同微域 ， 由于不同的理化条件而支持不同的生物。因此，整个土体的生态功能并非是所有微域的简单平均。最著名的例子是根际 rhizosphere和土体 bulk soil 的 截 然 不 同 。 空 间 和 时 间 的 变 异 与 不 同 的 尺 度 交 接 在 和 一起，因此我们了解土壤生物的分布及影响都需要对时空变异 有充分的考虑 第三章土壤生态系统的初级生产者 基本概念：土壤生态系统初级生产者 /细根 /根系碳淀积 /根际 /根际对话 土壤生态系统的初级生产者 是指利用太阳能或简单 无机物
12、作为食物的自养生物，如绿色植物、土壤藻类以及某些光能和化能自养细菌。高等植物主要通过地上部的凋落物和地下部的根系与土壤生态系统进行着物质和能量交换；植物生长及其代谢产物在凋落物和根系上均有所反映，对土壤生物及非生物环境有重要影响。当然，土壤生态系统也主要通过对死 有机物的分解和养分循环过程及活的根系等对地上部生态系统产生反馈作用。不论是死亡的残体还是生活的植物，生产者成为链接地上和地下部生态系统的桥梁。 在自然的陆地生态系统中，除了植食者爆发等少数情况外， 凋落 物 是植物净初级生产力的最大去向，尤其是林地生 态系统。不过，伴随植物初级生产更多的需要满足人类社会的需要。 叶片是凋落物的主要形式
13、，死亡根系也是凋落物的重要形式，某些植物种类的树皮（如桉树）或枯枝也比较重要。 细根 ：生态学研究中还经常根据根的直径大小进行分类，以 反映不同级别根的结构分布与功能。基本分成两类，一类是粗根 (Coarse roots)，指直径 2-5mm 的根；另一类是 细根 (Fine roots)，直径在 2-5mm 以下，细根的周转期一般认为是 1 年左右（ 1- 3 年），但可能更长一些 。 根系大小（ size/mass） 根系大小一般指单位面积上根的 总干物质量 ; 根的直径 ：衡量根的粗细或大小的指标，能部分反映根的种间差异或发育阶段 ， 根的长度 ：根在空间伸展的绝对长度。具体地可分别用主
14、根长度、侧根长度和根总长度等衡量 根密度 ：单位体积的根所含有的各级根的总数目； 根的表面积和体积： 当研究根对水分和养分吸收以及其他根 -土界面相互作用时，根表面积是一重要参数； 根际 的范围一般距根 1mm 至数 mm，因植物根的类型和土壤环境条件而异。 根际概念 ：指受植物根系活动的影响，在物理、化学和生物学性质方面不同于原土体的土壤微域。 细菌的根际效应较高， 真菌的根际效应相对较低 。根系淀积 (rhizodeposition)根分泌、溢泌的单糖、多糖、有机酸和氨基酸等有机化合物可能多达数十种，总量可达植物光合产物的 10%；随根系衰老、细根、根毛和衰老细胞脱落而进入土壤的部分， B
15、owen(1993)估计其总量超过根分泌物和溢泌物。这些物质一方面改变了土壤的化学组成，另一方面为土壤生物提供了丰富的能量和营养来源。 根际对话(rhizosphere talk) 发生在根际土壤中各种生物间的 “交流 ”，包括植物根系之间以及根系与土壤生物之间的相互作用 即根际生物间的物质和能量交换以及信息传递。生根际生物之间 的相互作用包括对生长空间、水分和养分等资源的竞争及捕食、互利、拮抗等关系。 根系分泌物和挥发性物质在根际对话中起着“语言”和传递信 号的作用。典型的例子是植物与微生物之间形成共生。在缺氮条件下，豆科植物根系会分泌黄酮类和异黄酮类物质，启动根瘤菌结瘤基因的表达，最终导致
16、根瘤菌侵染根系并形成根瘤。在此，黄酮类物质是根系与微生物间对话的 “语言 ”。 根系在土壤中的分布 1.垂直分布 (Vertical distribution) 土壤剖面中一般上层的养分浓度较高，所以单位土壤根系的生物量和长度通常伴随土壤深度而下降； 然而 ，非生物条件对根系分布深度的影响在不同植物种类之间存在巨大差异。 2. 水平分布 (Horizontal distribution)根系在土壤中的水平分布往往受制于临近植物，当然也与植物本身的地上部冠层广度、根冠比及土壤资源因素有关；例如，在高 强度牧食生态系统中，草食者能够决定根系生物量的水平分布。根系水平隔离的生态学意义：根系的空间隔离
17、减少资源水分、养分）的干扰性竞争，对于植物种间共存及群落组成和多样性具有重要意义。 根系的生态功能有哪些？ 除了吸收水分和养分、固着和支持植物外，还具有以下土壤生态功能： 1)根为土壤生态系统提供了初级能量来源，根在生长发育和新陈代谢中的淀积物（分泌物、脱落物及死亡残体）数量很大； 2)根系周围丰富的土壤生物群落是土壤生态系统健康状况的总体反映；根系与土壤生物的相互作用不仅对土壤屑食物网结构有决定性作用，而且对土壤生态系统能量转化和养分周转有重要影响 3) 一般地，根系对土壤的总体作用大于植物地上凋落物的作用根对土壤生态环境具有改善作用。植物根通过直接和间接的物理、化学和生物学作用对土壤性质产
18、生显著影响 4)根际过 程十分活跃，根是连结地上生态系统和地下生态系统的主要纽 带，可以在较大的时空尺度上发生影响。根系生物量、分布、呼吸及根际生物、物理和化学过程已经成为全球变化生态学中备受重视的研究领域。实际上，根际过程的研究已经成为了解土壤生态过程的窗口。 根的种类 胚根和主根 : 植物种子胚中与胚芽对应的原根称为胚根 , 种子发芽后胚根伸长便形成主根 ;不定根：除种子外，植物茎、叶部也可形成根，这些根统称为不定根，包括节根和冠根侧根：主根和不定根伸长并分枝后形成侧根特殊根：有时植物根的形态和机能会发生特异化而形成特殊种类的根如贮藏 根、气生根和菌根等。 根构型 ， 根系在生长介质中的空
19、间分布，实质上主要反映的是主根 和侧根的相对构型。 基根 (即基部侧根 )的生长初始角度 (即基根与土壤水平面的夹角 )来确定根构型类型 : 当大部分基根初始角度小于 40时 , 为浅根型 ; 初始生长角度大于 60为深根型 ; 介于浅根型和深根型之间的类型为中间型排根(Herringbone)和叉状分枝根 (dichotomous) 根构型决定了根系与土壤接触的面积，与土壤对资源的利 用密切相关，如排根对土壤资源 (特别是 P)的利用更有效 ;根构型具有可塑性，对于根系吸收异质性分布的养 分具有重要作用 ;根构型也受到微生物的强烈影响，例如，外生菌根在根尖形成真菌鞘 , 抑制根系伸长。 凋落
20、物分解速率的影响因素。 凋落物性质 ， 凋落物的理化性质是影响分解进程和土壤生 物群落的重要因素，主要包括养分元素、可溶性碳水化合物、纤维素、木质素、蛋白质、氨基酸、脂类、酚类、丹 宁及叶片硬度等的测定。 凋落物的性质（质量） 也受到影响植物生长的各种因素的 影响。凋落物的数量一般反映了地上部初级生产力的大小，当然因气候（水热条件）、土壤肥力、植物种类及人类管理方式而异。值得注意的是，土壤食物网内的生产者资源除了凋落物 和根系外，还有一种来自地上部的间接凋落物（次级生产者），主要来自大型牧食者、小型植食者及更高营养级生物的排泄物与 尸体。 动物的尸体和排泄物 也是土壤生态系统重要的有机物来源。
21、 虽然 土壤生物群落 （分解者：微生物和土壤动物） 也是影响分解过程的重要因素，但是有关分解预测模型尚没有包括它。凋落物分解过程中 养分释放机制 极其复杂 , 因凋落物种类、土壤生物群落、分解阶段和元素本身性质的不同而异 ;凋落物混合分解并非单一种类分解的简单 叠加 , 因 基质的化学 组成影响分解者的多样性、丰富度和生理活性 , 进而影响其分解速率 ; 凋落物混合分解 中可能存在无效应、促进效应和抑制效应。 全球变暖通过增强土壤微生物活性而加速凋落物的分解。 虽然 全球变暖 对凋落物化学组成的直接影响不大，但可以通过影响植被的物种组成来间接改变凋落物的产量、化学 性质和分解。 CO 2 浓度
22、升高增加凋落物产量 , 并通过影响凋落物质量 (高 C /N、木质素 /N 比等 )和生物群落 (微生物数量和活性 )而影响分解过程。研究显示 , CO 2 浓度升高下 , 植物群落组成变化对养分循环的影响远大于单纯 CO2 浓度变化的影响。 凋落物性质的评价指标？ 凋落物性质 （看前面） 目前普遍采用的衡 量凋落物分解速率大小的指标主要有 CO2 释放速率、凋落物分解系数 ( k 值 ) 及质量损失率。 凋落物分解速率模型 凋落物分解速率的预测指标可分为 3 类，即环境指标 (如实际蒸散量 )、凋落物物理质量 (如叶抗张强度 )和化学质量指标 (如 C/N 比、木质素 /N 比和 C/P 比
23、等 )。 何为凋落物尼龙网袋法？如何利用网袋法研究土壤动物对分解的贡献？ 尼龙网袋法 (litter bag method) 操作简单，是野外测定凋落物分解速率最常用的方法。除此之外 , 在室内控制条件下的缩微实验 (microcosm experiment) 也得到了广泛应用。 除了直接比较土壤动物添加与否对凋落物分解的贡 献外，不同类型土壤动物对凋落物分解的影响可以 用不同孔径大小的网袋进行研究。例如，孔径 5mm 的网袋允许所有土壤生物（微生物、微型、中型和大型土壤动物）进入；孔径 2mm 的网袋排除了大型土壤动物；孔径 0.1mm 的排除了大型和中型土壤动物孔径 0.05mm 的仅仅允
24、许微生物进入。 论述尼龙网袋法研究凋落物分解的优缺点。 尼龙网袋法操作简单，是野外测定凋落物分解速率最常用的方法。除 此之外 , 在室内控制条件下的缩微试验也得到了广 泛应用。优点：操作简单，分解过程在自然环境中进行，适用范围广，可以用不同孔径大小的网袋研究不同类型土壤动物对凋落物分解的影响。缺点：凋落物本身被压实，物理结构及通气状况变差；网袋内的水分条件可能较高；网孔大小难免会限制某些土壤动物进入；采样过程中难免会有损失；凋落物可能被土壤等污染，但难以清洁。 第四章土壤微生物 论述题：真菌的基本性质。 真菌的基本性质 真菌是真核微生物，主要包括霉菌、酵母菌和担子菌；真菌的分类多样性不断变化，
25、已知真菌超过 72000 种，真正的土壤真菌大约 15000 种；真菌以形成菌丝体获取资源而著名，都是异养的，并且能够产生大量的酶类，在降解植物多聚物纤维素和木质素以及其他复杂的有机大分子方面特别重要，真菌的生物修复潜力很大；除了酵母菌外，大部分真菌都是好氧的；真菌对水和酸度的耐受力与细菌不同，注意酵母菌是适应液体环境的单细胞子囊菌真菌的适应能力强，几乎能在所有的生境和基质上生活；通过孢子的传播能力也很强。 真菌细胞壁主要成分是多糖，其次是蛋白 质、类脂；真 菌细胞壁多糖主要有几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖；低等真菌细胞壁以纤维素为主，酵母菌以葡聚糖为主 ， 而高等真菌则以几丁质为主。真菌常
26、见于稳定的共生体中，与绿藻或蓝绿藻共生形成地衣 (lichen); 地衣是重要的土壤开拓者，在受到干扰土壤或裸地的恢复和稳定中具有重要作用；真菌的利弊 ，真菌通过菌丝纠葛和胞外多糖促进团聚体形成 。 真菌生态类型多样，大小范围很广，生长速率变化很 大，但一般不及细菌那样生长迅速；但从土壤生物量看，真菌一般占优势，特别在贫营养土壤中，真菌是营养库的重要组分；土壤真菌的体积有些在 显微镜下才能看到，而有些能覆盖 15hm ；真菌的数量可由生殖繁殖体 (CFUs，每克土壤菌落形成单位 )或菌丝长度（每克土壤 100-1000 m）来估算。 真菌和细菌 (含放线菌 ) 是土壤生态系统最重要的生物组分和
27、分解者 ; 在土壤生物中，真菌和细菌不仅在数量及生物量上占绝对优势，而且在有机物质分解以及相关联的养分再循环和能源流动过程中起关键作用 ;大量微生物的存在及其活性，是土壤肥力保持和土壤发生演变的活跃因素，也是土壤具有净化机能的主要原因 ;真菌和细菌还与初级生产者有直接或间接的广泛联系。 细菌基本性质 原核细胞生物 ，最简单的微生物细胞 基本形态可以球状、杆状和螺旋状；表示细菌大小通常用微米（ m），细菌细胞的直径一般在 0.5 1m，长为 1 2m；细菌细胞的体积小使之具有特殊优势，比表面积大使其能更有效从环境中交换营养；球菌比杆菌或螺旋菌更能在严酷的环境中生存 。 快速生长、繁殖的能力意味着
28、细菌能迅速适应环境变化， 这在生态、环境中具有重要意义；细菌能在大部分土壤中行自由生活，数量巨大种类繁多，代谢类型丰富多样；土壤中细菌经常处于环境和资源制性的休眠或饥饿状态，会变成直径小于 0.3 m 发育不全的细菌，但会迅速爆发；在固体 培养基上几天内可形成聚集在一起的细胞团块：菌落 (colony)，注意肉眼可见的菌落大约由 100 万个细胞组成！ 所有细菌都有多层结构保护以免受到外部环境的损害，这 一系列多层结构统称细胞被膜 (Cell envelope)，主要由糖被、细胞壁和细胞膜组成。糖被是包围细胞壁的大分子外衣，外衣可能是： 1）黏液层 (Slime layer)，碳水化合物的疏松
29、的非正式聚合物； 2）荚 膜 (Capsule)，结合在细胞壁上的坚韧的蛋白质层。细胞壁所具有的坚韧的保护性主要依靠大分子肽聚糖，细菌的两种细胞壁类型分别是革兰氏阳性 (GP)和革兰氏阴性 (GN)。 微生物研究方法中土壤样品采集、保存和预处理中需要注意的事项 。 (Actinomycete) 放线菌 是原核微生物，但是其特殊性使得它经常与细菌分开探讨；从形态上放线菌更像真菌，细长的细胞分之成丝状体或菌丝，但比真菌的菌丝细，前者大约 1-2 m，后者在 10- 50 m 之间； 放线菌细胞壁含有 N-乙酰胞壁酸与二氨基庚二酸，而不含几丁质和纤维素；放线菌不仅产生抗生素、酶和维生素，而且具有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂和角蛋白 的能力，在物质循环和土壤质量中具有重要作用。 测定土壤微生物生物量的主要方法。 古菌
