李芳， 陳林， 李月， 李培培， 王祎， 韓燕來

(1．河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002；2.中國科學院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

土壤團聚體是高生產(chǎn)力土壤的基本屬性之一，通過調(diào)節(jié)土壤水分運移、養(yǎng)分循環(huán)來提高土壤肥力，其多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供了異質(zhì)化的環(huán)境，同時有利于作物根系的穿插生長[1-2]。土壤團聚體的形成過程復雜，受土壤礦物組成、有機質(zhì)含量和化學組成、植物根系、土壤動物以及土壤微生物等多種因素的影響[3]。其中，礦物組成很大一部分由成土母質(zhì)與氣候條件決定，農(nóng)田作物種類受種植制度、光熱條件和糧食生產(chǎn)需要的制約均較難改變。因此，增施有機物料、優(yōu)化微生物群落組成成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中促進土壤結(jié)構(gòu)改良和土壤團聚體形成的重要途徑。由于絲狀生長的特征以及可觀的生物量，真菌在土壤團聚化過程中的作用一直是國內(nèi)外研究的熱點。同時，真菌在有機物料的分解轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了重要作用，而有機物料的周轉(zhuǎn)過程與土壤團聚體的形成-穩(wěn)定-崩解循環(huán)密切相關[4]?；诖?，本文從土壤團聚體的定義、層級發(fā)育理論及膠結(jié)物質(zhì)出發(fā)，論述了真菌的生長方式、分解代謝和合成代謝對土壤團聚體形成的影響，強調(diào)了真菌尤其是腐生真菌在土壤團聚體形成過程中的貢獻，有助于進一步對真菌尤其是腐生真菌與農(nóng)田土壤團聚體之間的內(nèi)在聯(lián)系進行探索。

1 土壤團聚體形成的研究現(xiàn)狀

1.1 土壤團聚體的定義和表征

土壤團聚體是在土壤中物理、化學、生物綜合作用下形成的近似球形的多級孔性結(jié)構(gòu)體，具有涵養(yǎng)水分和土壤養(yǎng)分的功能，是承載土壤肥力的基本單元[5-6]。土壤團聚體分級是土壤團聚體研究的重要手段，各級土壤團聚體的比例是評價耕層土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的關鍵。常見的分類是將一定質(zhì)量的土壤在空氣或水環(huán)境中依次通過2 000、250、53 μm篩子，將土壤團聚體分為粗大團聚體(>2 000 μm)、細大團聚體(250～2 000 μm)、微團聚體(53～250 μm)和粉黏粒(<53 μm)共4個組分，并計算每個組分的含量[7]。在部分研究中，土壤團聚體也被簡單分為大團聚(>250 μm)、微團聚體(50～250 μm)和初級顆粒(<50 μm)共3個組分[8]。目前，土壤團聚體分級方法包括濕篩、干篩和最佳濕度下篩分，并以濕篩為主。干篩用于評估土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，而濕篩則是對土壤團聚體的水穩(wěn)定性進行評估。濕篩具有更強的肥力指示意義，常用平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)、分形緯度(D)和粒徑大于0.25 mm土壤團聚體的含量(R0.25)進行量化表征[9]。另外，自發(fā)、機械和超聲分散系數(shù)、抗磨損性和抗拉強度也作為評價土壤團聚體穩(wěn)定性的指標被研究者采用[10]。

1.2 土壤團聚體的形成過程和膠結(jié)作用

土壤團聚體的形成包含了黏結(jié)團聚過程和切割造型過程，前者是土壤團聚體形成的基礎。等級發(fā)育假說認為，大團聚體是由土壤膠體經(jīng)過逐級團聚形成的，這一過程伴隨著土壤顆粒的逐級增大。對于粉黏粒級的土壤團聚體而言，土壤團聚化的主要動力是土壤膠體間的絮凝作用和多價陽離子間的黏結(jié)作用。絮凝作用促進了多價陽離子和帶負電的土粒之間的結(jié)合，而黏結(jié)作用主要推動了具有巨大比表面積和吸附能的黏粒在濕潤時進一步結(jié)合到土壤顆粒上。2種作用共同形成的土壤初級顆粒進一步在穩(wěn)定性的腐殖物質(zhì)的黏結(jié)作用下形成微團聚體。微團聚體是土壤中發(fā)揮肥力功能的獨立結(jié)構(gòu)單元，被認為是形成大團聚體的基礎[11]。微團聚體又稱有機無機復合體，是黏土、有機物質(zhì)和無機膠結(jié)材料接觸與結(jié)合的產(chǎn)物[12]。微團聚體在瞬時膠結(jié)物質(zhì)如動物植物殘體、根系分泌物、微生物多糖和真菌菌絲等作用下進一步形成大團聚體[13]。

土壤中的膠結(jié)物質(zhì)被大致分為有機膠結(jié)物質(zhì)和無機膠結(jié)物質(zhì)。無機膠結(jié)物質(zhì)主要包含無機礦物如氧化鐵、氧化鋁、碳酸鹽和硅酸鹽等，在部分類型土壤中占有相當大的比例，可作為微團聚體形成的主要控制因子[14]。有機膠結(jié)物質(zhì)主要來源于動植物和微生物，其中微生物來源的膠結(jié)物質(zhì)比植物來源的膠結(jié)物質(zhì)具有更高的化學穩(wěn)定性和抗分解性。有機膠結(jié)物質(zhì)在微團聚體和大團聚形成中均發(fā)揮重要作用，決定了大團聚體的形成和穩(wěn)定性[15-16]。相對于無機膠結(jié)物質(zhì)，處于復合體內(nèi)部的有機膠結(jié)物質(zhì)由于物理阻隔導致其不易被微生物分解，此時有機物碳鏈上大量的羥基與黏土礦物晶面上的氧原子結(jié)合而形成的土壤團聚體，穩(wěn)定性顯著高于以無機膠結(jié)作用形成的土壤團聚體[17]。研究表明，高嶺土可以不依賴生物過程單純地依靠黏土礦物和氧化物之間的物理和靜電作用快速形成土壤團聚體，而這種土壤團聚體的穩(wěn)定性較伊利土團聚體差，后者是在依靠生物過程產(chǎn)生的有機膠結(jié)物質(zhì)作用下形成的[18]。雖然土壤的礦物學特征會影響生物過程和有機膠結(jié)作用在土壤團聚體形成過程中的貢獻，但有機膠結(jié)物質(zhì)依然是土壤膠結(jié)物質(zhì)研究的熱點。秸稈碳是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)之一，是土壤有機質(zhì)的重要組成部分，是目前中國廣大秸稈還田區(qū)域土壤有機輸入的重要來源[19]。

1.3 秸稈膠結(jié)物質(zhì)在土壤團聚體中的周轉(zhuǎn)

秸稈還田自2010年后在中國黃淮海地區(qū)得到普遍推廣，成為備受重視的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施。還田秸稈在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為顆粒較大的纖維素、多糖和微生物量碳等，能通過瞬時膠結(jié)作用促進大團聚體的形成[20]。研究表明，長期秸稈還田有效促進了土壤團聚體的形成，顯著增加了大團聚體的含量，使土壤團聚體MWD提高[21]。13C標記秸稈培養(yǎng)試驗表明，較大的外源秸稈碳顆粒優(yōu)先存在于>2 000 μm的土壤團聚體中，而秸稈降解產(chǎn)生的可溶性碳以及顆粒極小的有機物優(yōu)先存在于<53 μm土壤團聚體中。大顆粒的秸稈殘體由于缺乏有效的黏土礦物包裹充分暴露在微生物活動中，在后者的分解作用下變成小顆粒。同時，黏附在大顆粒表面的礦物集團也紛紛散開，分別黏附在新形成的小顆粒表面。依次類推，秸稈顆粒在微生物的降解作用下進一步減小，土壤團聚顆粒亦隨之減小，最終向<53 μm土壤團聚體中轉(zhuǎn)移。在此過程中，秸稈碳被轉(zhuǎn)化為微生物有機體及代謝物，最終變成穩(wěn)定的礦物結(jié)合態(tài)有機碳存留在土壤中，形成了初步穩(wěn)定的土壤顆粒[22-23]。LI等[24]為期2年的培養(yǎng)試驗顯示，12%～15%的秸稈碳穩(wěn)定存在于細大團聚體中，隨著時間的延長更多的殘基碳被轉(zhuǎn)移到微團聚體中，伴隨著秸稈碳從顆粒有機碳組分到礦物結(jié)合態(tài)有機碳組分的轉(zhuǎn)移。與未加秸稈之前的小顆粒相比，新形成的小顆粒具有更高的有機碳含量和更大的黏附能力，在合適的條件下更容易重新結(jié)合起來，形成較大的土壤團聚體[25]。王碧勝[23]研究表明，礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量與大團聚體含量、大團聚體/微團聚體比例顯著相關。

2 真菌對土壤團聚體形成的影響

2.1 真菌生長方式對土壤團聚體形成的影響

VADAKATTU等[26]于1988年首次對不同粒級團聚體中微生物量和微生物活動進行描述，將團聚體層級發(fā)育理論與微生物量的概念聯(lián)系起來，確定了微生物和微區(qū)域的聯(lián)系。經(jīng)過20多年的探索，VADAKATTU等[27]進一步強調(diào)了真菌在土壤團聚體形成中的貢獻。真菌的生長方式會影響土壤團聚體的形成，本質(zhì)上是由土壤層級發(fā)育模型對應的孔隙逐漸變大理論決定的。隨著土壤顆粒的逐級變大，顆粒間的孔隙也隨之增大，后者導致了化學作用力距離增加，化學鍵能減弱，團粒穩(wěn)定性隨著團粒粒徑的增加而降低。土壤團粒若進一步擴大和穩(wěn)定，則必須出現(xiàn)更加復雜的有機物質(zhì)來填充變大的孔隙，或者提供更大的黏結(jié)力[28]。一般來說，土壤孔隙被分為大孔隙(>80 μm)、中孔隙(30～80 μm)、微孔隙(5～30 μm)、超微孔隙(0.1～5 μm)和隱孔隙(<0.1 μm)。超微孔隙和隱孔隙主要存在于土壤團粒形成的初期，此時主要作用力以化學鍵為主，微生物由于直徑大小(細菌一般0.5～10 μm、真菌2～70 μm)的限制，很難參與其中。隨著土壤顆粒的增加，孔隙進一步增加，達到微孔隙水平，很多細菌及部分真菌可參與進來，增加土壤顆粒之間的黏結(jié)性，促進土壤顆粒的進一步團聚增大，進而形成大孔隙[29]。相比于真菌，細菌個體較小，除非形成菌團，否則土壤顆粒巨大的孔隙使其很難起到有效黏結(jié)作用，因此在大團聚體形成過程中選擇真菌為研究對象。

根據(jù)土壤層級發(fā)育模型對應的孔隙逐漸變大理論，真菌的絲狀生長方式導致真菌在異質(zhì)迷宮般的土壤環(huán)境中具有很強的適應性，進而影響土壤團聚體形成。與土壤中生存的微型動植物相比，真菌菌絲具有不確定的結(jié)構(gòu)，菌絲的延長和分叉(夾角在26°～86°之間)具有很大的隨機性，而且可根據(jù)黏土礦物的不同相應地改變菌絲形態(tài)，這使得真菌在土壤孔隙中的穿插生長具有更大的優(yōu)勢[30]。除了在基質(zhì)內(nèi)部和表面生長外，許多真菌發(fā)達的氣生菌絲可以跨越土壤孔隙進行生長，獲得養(yǎng)分和水分的概率變大，同時促進了具有較大孔隙的土粒之間的團聚，這些特征在腐生型真菌、共生型真菌甚至是寄生型真菌中普遍存在。RITZ等[31]最早通過顯微境觀察到腐生真菌菌絲對高嶺石的重排作用。稀土元素示蹤技術表明，接種叢枝真菌能夠有效促進大團聚體的形成，延緩大團聚體的崩解[6]。TISDALL等[10]證明了6株腐生真菌的菌絲密度與砂質(zhì)黏土的團聚體穩(wěn)定性、抗拉強度顯著正相關。LEHMANN等[32]通過對來自于子囊菌門、擔子菌門和毛霉門的31株真菌的對比研究發(fā)現(xiàn)，不同真菌對土壤團聚體的貢獻存在顯著差異，但均屬于中性或正向效應，其中子囊菌門真菌對團聚體形成的作用普遍大于毛霉門真菌。因此，包括生長方式在內(nèi)的真菌系統(tǒng)發(fā)育特征是決定真菌促進土壤團聚化能力的重要因素。

2.2 真菌分解代謝對土壤團聚體形成的影響

秸稈等有機物質(zhì)以大顆粒和可溶性營養(yǎng)物質(zhì)的形式進入土壤后，其轉(zhuǎn)化過程離不開微生物的分解作用[23,33]。秸稈降解期間形成的土壤團聚體穩(wěn)定性差，很容易在微生物的攻擊下崩解，屬于瞬時團聚作用，難以持久。而秸稈碳經(jīng)過微生物的轉(zhuǎn)化后形成的高腐殖化的初級顆粒才是土壤團聚體形成和穩(wěn)定存在的關鍵因素。因此，微生物的秸稈碳利用效率越高，越有利于穩(wěn)定性團聚體的形成[34]。微生物碳代謝特征是控制植物碳轉(zhuǎn)化成微生物量碳或者二氧化碳的關鍵因素，不同微生物種群在秸稈降解中發(fā)揮的作用存在很大差異，其碳利用效率亦不同[35]。LEHMANN等[36]和BEDINI等[37]研究顯示，細菌和真菌對土壤團聚體形成的作用要大于土壤動物和作物根系，真菌在大團聚體形成過程中發(fā)揮著強烈作用。1 g團聚化土壤中腐生真菌的菌絲長度比1 g非團聚化土壤多3～6 m[38]。本文從2個方面論述真菌推動秸稈降解促進土壤團聚體的形成。第一，真菌在秸稈的降解過程中發(fā)揮關鍵作用，作為纖維素降解酶(內(nèi)切葡糖苷酶、外切葡糖苷酶、β-葡糖苷酶)的主要分泌微生物，真菌在含纖維素有機物質(zhì)降解過程中的作用遠大于細菌[39]。通過對多個長期定位試驗不同處理下土壤真菌群落的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田處理下，土壤真菌尤其是腐生真菌的相對豐度增加了8～9倍[40-41]。KOECHLI等[42]通過同位素標記試驗表明，真菌比細菌更快地將纖維素碳結(jié)合到自身的DNA中，而且在纖維素降解的后期真菌的活躍度大于細菌，因此農(nóng)田土壤中真菌對新加入纖維素物質(zhì)的響應迅速且持久。第二，作為有機質(zhì)主要降解微生物，真菌和細菌之間存在代謝特征和生存策略的差異，真菌的碳利用效率往往高于細菌[43]。具體表現(xiàn)為在利用單位底物的情況下，與細菌相比真菌分配了更多的碳用于生物量合成而非呼吸消耗，即真菌具有更高的碳利用效率[44]。WANG等[45]研究表明，土壤中微生物的碳利用效率與土壤有機碳含量顯著正相關。此外，真菌主導的土壤具有較高的碳儲量，這也是分解代謝過程中真菌碳利用效率較高的體現(xiàn)[29,46]。因此，真菌分解代謝推動秸稈降解，進而促進土壤團聚體的形成。

2.3 真菌合成代謝對土壤團聚體形成的影響

微生物除了靠菌體表面的黏結(jié)作用外，其繁殖、生長和死亡的迭代循環(huán)過程也為土粒的黏結(jié)提供了重要的有機膠結(jié)物質(zhì)，這些物質(zhì)相對分子質(zhì)量大小各異，可擺脫菌體直徑大小的限制，參與到更多粒級團聚體的形成過程中。越來越多的研究者認為，微生物細胞成分貢獻了50%以上的土壤有機碳，控制著穩(wěn)定性土壤有機碳庫的周轉(zhuǎn)[47-49]。GUO等[50]研究表明，土壤中質(zhì)量分數(shù)17%～28%的有機碳來源于微生物死亡后產(chǎn)生的生物物質(zhì)，而且土壤中有機碳含量與土壤中微生物標記物磷脂脂肪酸和氨基糖苷的含量正相關。陸地生態(tài)系統(tǒng)中微生物的合成代謝控制著土壤碳儲量。土壤微生物碳泵理論認為，土壤碳動態(tài)是微生物生長代謝的最終結(jié)果[51]。微生物同化的重要性不僅在于在生命循環(huán)中源源不斷地產(chǎn)生生物量，更在于轉(zhuǎn)化原有的植物源有機化合物重新合成新型的更為復雜的化合物，新合成的化合物往往具有更強的化學穩(wěn)定性，可以通過與黏土礦物的結(jié)合穩(wěn)定存在于土壤中，增加土壤碳的滯留時間[51-52]。真菌的合成代謝物質(zhì)比細菌的合成代謝物質(zhì)具有更強的頑拗性，在土壤中滯留時間更長[53]。JI等[54]研究顯示，叢枝真菌合成的疏水性物質(zhì)球囊霉素分布在土壤團聚體顆粒的表層，其含量與團聚體水穩(wěn)定性之間存在顯著的正相關關系。此外，真菌在土壤中穿插生長的過程中，為了對抗土壤中干濕交替的環(huán)境和潛在的生物威脅，菌絲表面常分泌一些起保護作用的胞外多聚物質(zhì)(extracellular polymeric substances，EPS)。EPS黏附性強，有效促進了菌絲在土壤礦物顆粒表面的附著，協(xié)助菌絲在土壤顆粒間進行穿插生長，最終形成復雜的菌絲網(wǎng)，進而導致真菌可以團聚更多的土壤顆粒形成團聚結(jié)構(gòu)[55]。EPS包含多糖、蛋白和酚類物質(zhì)，抗微生物分解能力強，對土壤顆粒的黏結(jié)具有較強的穩(wěn)定性[56]。與土壤總有機碳含量相比，EPS蛋白含量與土壤團聚體MWD之間相關性更為顯著[57]。此外，廣泛存在于真菌細胞壁外側(cè)的黑化素是EPS的重要組分部分。黑化素含有酚類、吲哚、奎寧中心核，能有效對抗土壤中的水解酶及其他微生物的分解，是土壤穩(wěn)定性有機碳的重要組成部分[58-59]。隨著黑化素含量的升高，真菌殘體的降解時間延長[60]。SILETTI等[61]研究顯示，土壤中黑化素的含量與有機碳含量顯著正相關。真菌接種通過合成或同化的黑化素增加了土壤腐殖質(zhì)中羧基的相對比例，而羧基具有較強的結(jié)合活性，能夠有效促進土壤顆粒的團聚化[62]。因此，本文認為真菌合成代謝產(chǎn)物能夠提升土壤穩(wěn)定性，進而團聚更多的土壤顆粒形成土壤團聚體。

3 存在問題及展望

目前，中低產(chǎn)田在中國總耕地中比例依然較高，而優(yōu)化耕層土壤結(jié)構(gòu)是中低產(chǎn)田改良的關鍵手段。因此，促進土壤團聚體形成將是保證中國糧食生產(chǎn)、防止土水流失、提高土壤肥力的關鍵。隨著生物技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域的廣泛應用，多功能的微生物菌劑在土壤肥力提升中的作用被持續(xù)關注。土壤真菌的相關研究熱度很高，但是目前的研究水平較少實現(xiàn)實用開發(fā)。多數(shù)研究只集中在有機質(zhì)周轉(zhuǎn)、作物病害防治方面，對以促進團聚體形成為目的開發(fā)的真菌菌劑數(shù)量極少，因此該方向的研究未來具有很大的發(fā)展空間[63]。土壤微生物是土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)的重要貢獻者和轉(zhuǎn)化者。從菌絲生長方式上看，真菌主要在團聚體形成后期起到關鍵作用。從膠結(jié)作用的角度看，真菌轉(zhuǎn)化的代謝物在各級土壤顆粒團聚化過程中均作出一定貢獻。團聚體的形成機制目前尚有很多問題需要研究，在此過程中重新評估并深入認識真菌的貢獻是土壤團聚體形成與穩(wěn)定理論的關鍵補充。

目前，已報道的促進團聚體形成的真菌種類主要包括叢枝真菌、外生菌根真菌和腐生真菌。叢枝真菌和外生菌根真菌需要與植物共生才能得以存活，應用條件要求高，適用范圍有限。腐生真菌則在頻繁擾動的農(nóng)田土壤中廣泛存在，具有較高多樣性的庫，易受秸稈還田或其他有機物料的激發(fā)，豐度升高速度迅速，因此腐生真菌對團聚體形成的作用受到研究者的關注[64-65]。鑒于腐生真菌在農(nóng)田土壤中大量存在[66]以及在植物殘體降解中的重要貢獻，LEHMANN等[67]指出，揭示腐生真菌的團聚化作用將為土壤團聚化研究揭開新的篇章。目前，腐生真菌促進秸稈降解影響土壤團聚化過程的機制尚不明確。隨著同位素標記技術、稀土元素示蹤技術、掃描電鏡技術、X射線能譜分析技術的飛速發(fā)展，研究土壤團聚體微結(jié)構(gòu)將成為可能，這對深入揭示真菌尤其是腐生真菌促進土壤團聚體形成的機制十分重要[24]。因此，研究真菌對土壤團聚體形成的影響，可為制定科學農(nóng)田土壤管理措施、優(yōu)化農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)提供理論支撐，對實現(xiàn)土壤可持續(xù)利用具有重要意義。