什么是复合寡糖?复合寡糖对土壤的作用详解

复合寡糖,从名称就能看出,它是由多种寡糖组合而成的复合体。“寡糖” 又被称作低聚糖,英文名为 oligosaccharide,指的是由 2-10 个(也有资料认为是 3-10 个)糖苷键聚合形成的化合物,它们常常与蛋白质或脂类以共价键结合,形成糖蛋白或糖脂的形式存在。

本文所要介绍的复合寡糖,是依据中医的 “固本扶正” 理念、中药的 “温热寒平” 特性以及用药的 “君臣佐使” 原则,运用不同的中药组方,通过生物技术提取得到的多种寡糖的复合体。经过十几年近百项的系统研究表明,复合寡糖具有强大的激活土壤原生微生物菌群的功能,在农残降解、调节土壤及水体生态平衡、促进植物生长、抵抗连作障碍、修复土壤板结、恢复土壤团粒结构和透气性、提高土壤的排涝与保湿能力等方面效果显著;同时,对于增强植物生长和固氮能力、分解秸秆类有机质、减少作物病害、释放被固定的磷酸盐及其他养分、修复板结土壤等也有很好的作用。

复合寡糖对土壤的作用

土壤健康是陆地生态系统可持续发展的根基,土壤微生物学特性能够反映土壤质量的变化,并且可以作为评价土壤健康的生物指标。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,几乎所有的土壤变化过程都直接或间接地与土壤微生物相关联。

复合寡糖在土壤生态系统中的作用主要包括以下几个方面:

(1)推动分解土壤有机质和促进腐殖质形成的菌群生长。

(2)助力吸收、固定并释放养分的菌群形成,对改善和调节植物营养状况起到重要作用。

(3)促进有利于植物生长的菌群形成,例如促进豆科植物根瘤固氮菌的形成。

(4)加快分解土壤有机碳、氮的菌群形成,进而产生土壤微量气体。

(5)在有机物污染和重金属污染治理中发挥重要作用。

土壤微生物学特性与土壤健康状况的关系

(一)土壤微生物学特性概述

土壤微生物特性对土壤基质的变化十分敏感,其群落结构组成和生物量等能够反映土壤的肥力状况。由于土壤微生物特性与土壤质量关系密切,近年来,将土壤微生物群落结构组成、土壤微生物生物量、土壤酶活性等作为土壤健康的生物指标,用于评价退化生态系统的恢复进程和指导生态系统管理等,已逐渐成为研究热点,而复合寡糖的研究无疑为这一热点领域带来了新的方向。

本节通过概述土壤微生物的群落结构、土壤微生物生物量、土壤酶活性与土壤质量的关系,阐明它们对土壤健康的生物指示功能。

  1. 土壤微生物群落结构与土壤质量的关系

土壤中细菌、真菌和放线菌的组成及其所占比例,在一定程度上能反映土壤的肥力水平:在土壤性质和肥水条件较好的土壤中,细菌所占比例较高。

  1. 土壤微生物生物量与土壤质量的关系

土壤微生物生物量与土壤有机质含量密切相关,而且土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值(Cmic:Corg)和土壤微生物代谢熵(qCO2)的变化,在一定程度上能反映土壤有机碳的利用效率。

  1. 土壤酶活性与土壤质量的关系

一般情况下,在土壤酶活性高的土壤中,土壤微生物生物量碳、氮含量也较高。

(二)土壤微生物群落结构与土壤质量

土壤微生物群落结构主要指土壤中各主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比例,其结构和功能的变化与土壤理化性质的变化有关。土壤的结构、通气性、水分状况、养分状况等都对土壤微生物有着重要影响。

研究发现,在熟化程度高和肥力好的土壤中,土壤微生物的数量较多,细菌所占的比例较高;而在干旱及难分解物质较多的土壤中,土壤微生物总数较少,细菌所占比例相对较低,真菌和放线菌的比例则相对较高。例如,在郁闭度较高的鼎湖山阔叶林中,由于土壤地表凋落物较多,土壤中细菌所占的比例要比同一地区的针叶林高 66%~126%。Ovreas 和 Torsvik(1998)采用多种方法测定土壤微生物群落结构,发现富含有机质的土壤中微生物多样性高于砂土。

Griffiths 等(1999)的研究发现,向土壤中施加含碳量高的物质,会使土壤微生物群落中真菌和革兰氏阴性细菌的比例提高,而使放线菌和革兰氏阳性菌的比例降低。土壤退化或受损会影响土壤微生物的多样性。土壤微生物数量、种类及其组成会随着土壤受污染与退化的程度发生变化,由此可以反映出一个受损生态系统的受损程度或恢复潜力。一般来说,土壤退化或受损对土壤微生物的数量及种类会产生负面影响,但某些耐性微生物种类在被污染土壤中的数量反而会增加。刘世贵等(1994)对川西北退化草地土壤微生物区系的研究发现,退化程度高的草地中微生物种类与数量减少;不同退化程度的草地中,土壤微生物主要类群在数量上有较大差异,起主导作用的微生物种类也有所不同。

此外,自然界中存在着种类繁多的某些特殊的土壤微生物类群,它们可以作为特殊的指示生物。例如,在地下有油气藏的地表土壤中,会存在特定种类的细菌 —— 烃类氧化菌,它们会随着烃渗漏浓度的升高而增多。因此,可以利用这些烃类氧化菌作为指示来寻找油气矿藏(金文标等,2002)。王红梅等(2002)通过提取金矿化区和非矿化区第四纪土壤微生物蜡样芽孢杆菌,进行微生物与金离子的相互作用实验证实,当金含量升高到一定范围时,会对 Bacillus cereus 的生长产生抑制作用,促使其由营养体向芽孢转化,使矿化区土壤芽孢计数值显著增高。

(三)土壤微生物生物量与土壤质量

土壤微生物生物量是土壤有机质中有生命的部分,它的大小反映了参与调控土壤中能量和养分循环以及有机物质转化的微生物数量。通常情况下,土壤微生物生物量与土壤有机碳含量关系密切:土壤碳含量高,土壤微生物生物量也相应较高。由于土壤微生物生物量碳、氮能够敏感且及时地反映或预示土壤的变化,因而被越来越多地用作土壤质量的生物指示指标。

  1. 对土壤健康状况的指示

土壤微生物生物量可以敏感地反映出不同土壤生态系统间的差异。Luizao 等(1992)发现,草地或林地开垦为耕地后,会导致土壤微生物生物量下降,这可能是由于耕作使土壤有机物很快分解,进而导致土壤微生物活性降低。陈国潮和何振立(1998)发现在不同利用方式下,高度风化的酸性红壤中微生物生物量碳普遍较低,且与土壤有机质之间有较明显的相关性。Chander 等(1998)的研究表明,造林可以改善土壤有机质状态,增加土壤营养库与微生物活性。Carter(1986)和 Sarathchandra 等(1989)研究发现,免耕或施用有机肥可使土壤表层微生物生物量增加。傅声雷等(1995)在广东鹤山 “林、果、草、鱼” 复合生态系统中的研究也得出,受施肥的影响,果园土壤微生物生物量要明显高于林、草、鱼等子系统。但 Lee 和 Jose(2003)发现,施用氮肥可导致棉白杨(cottonwood)和火炬松(loblolly pine)土壤微生物生物量降低。Stark 等(2007)发现,施肥或不施肥对土壤微生物特性没有明显影响,但管理方式的不同对微生物生物量有影响,这表明作物轮作与植被类型对土壤微生物生物量及酶活性的影响大于施肥。此外,土壤微生物对土壤中有害物质如重金属、农药、酸害、除草剂等反应敏感,因此可借助土壤微生物生物量的分析诊断土壤环境的健康状况(Perucci 等,2000)。

在指示土壤过程或土壤健康状况时,土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值(即 Cmic:Corg)和土壤微生物代谢熵(即土壤微生物基础呼吸与土壤微生物生物量之间的比值,qCO2)等也被用作土壤性质或健康的生物指标。研究发现,Cmic:Corg 比值的变化可以反映土壤有机碳的动态。如果以成熟森林的 Cmic:Corg 比值为参照值,那么当 Cmic:Corg 比值高于参照值时,可认为土壤中有机碳处于积累阶段;反之则反映了土壤有机质处于消耗阶段。土壤微生物代谢熵(qCO2)则将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机地联系起来,可对微生物的能量利用效率进行度量。qCO2 的变化与土壤微生物群落组成的变化有关,并且随土壤熟化程度的增加而逐渐减小。Ding 等(1992)认为,qCO2 伴随着生态系统由初级向高级的演替而呈现下降趋势,在 qCO2 较低的土壤中,微生物对碳的利用效率较高,维持相同微生物生物量所需的能量就少,土壤质量也越好。

  1. 与地表植被 / 土地利用方式的关系

土壤微生物生物量与地表植被类型关系密切。姜培坤和周国模(2003)发现,阔叶林下土壤微生物生物量碳、氮均明显高于杉木林,不同植被下土壤微生物生物量碳氮比率的不同,取决于凋落物与根际物质分解过程中诱导形成的微生物区系的差异;杉木的长期生长会使林地和根际土壤生物学特性改变,土壤微生物生物量碳降低。杉木林地土壤微生物生物量碳与土壤有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷含量和阳离子交换量均呈显著或极显著相关(姜培坤等,2002)。张海燕等(2006)对不同利用方式的 19 个黑土样品的微生物生物量和养分状况进行了分析,结果表明土壤微生物生物量和土壤养分含量大体上都呈现出林地 > 大豆地 > 玉米地的趋势,同时土壤微生物生物量与土壤有机质、全氮、全磷、速效钾呈现出显著或极显著正相关关系,并且土壤微生物的生物量碳比生物量氮更为灵敏。Imberger 和 Chiu(2001)研究了台湾亚高山针叶林与草地土壤中的细菌与真菌生物量,发现森林土壤中的细菌与真菌生物量明显高于草地。Wardle(1995)注意到,免耕条件有利于土壤有机碳和有机氮的积累,免耕土壤中细菌和真菌的生物量均较高;而耕作活动加速了土壤微生物对有机质的消耗,使得土壤有机碳、氮含量低于免耕土壤,同时其土壤中的微生物数量和生物量也显著减少。

综上所述,复合寡糖对土壤修复以及提升土壤质量有着重要的作用。

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