土壤生态学研究现状

土壤生态学研究现状分析

土壤生态学(soil ecology)是研究土壤环境与生物间相互关系，以及生态系统内部结构、功能、平衡与演变规律的学科。是土壤学、生态学、地理学以及环境科学相互交叉的一门具有广泛研究领域的新兴科学，以土壤生物为中心，研究土壤生物之间、土壤生物与土壤非生命环境间的相互作用。研究的主要内容有：土壤生态系统的结构、功能和人类活动对土壤生态系统的影响过程。过去 20 年, 土壤生态学得到国际生态学界的广泛关注[1~6], 土壤被认为是陆地生态系统的组织中心[4,7], 并被 Science 期刊认为是最后的学术前沿[8].在此背景下, 土壤生物多样性及其在生态系统中的重要功能成为研究热点[9]. 对土壤生物多样性的研究和认识, 代表了过去 20 年土壤生态学领域最重要的进步[6].

国内外研究现状

土壤生物多样性包括在土壤和凋落物层中生活的生物类群多样性[4], 以及它们的遗传多样性、功能多样性和土壤-生物自组织系统的多样性[10,11]. 最近还有学者提出, 土壤中的活性酶也是土壤生物多样性的有机组成部分[12]. 目前, 科学界已经认识到土壤是地球上生物多样性最丰富的生境之一[5]. 例如,在局域尺度上, 1 g 土壤可能含有高达 50000 种细菌[13,14]; 在堪萨斯大草原 , 一小块草地上就发现了159 种螨类[15]; 在哥斯达黎加(Costa Rica)的一个低地雨林, 根据 18S rRNA 序列分析推测, 仅在 4 个 40 m× 40 m 样方中, 可能就有 502 种线虫[16]; 同样根据18S rRNA 序列分析, 在极地苔原的几个采样点就发现 2010 个 OTUs(operational taxonomic units)存在[17].此外, 在全球尺度上, 土壤生物多样性也远远高于植物和大型动物[18~20]. 现已描述过的土壤真菌就有72000 种, 据估计全球总数可能高达 150 万种[21,22];已

知的土壤线虫有 25000 种(可能仅占全球所有种类的 6%)[20]; 已记录的土壤跳虫有 8000 种(约占全球所有种类的 15%)[20]; 而已知的螨类有 45231 种(可能仅占全球所有种类的 4%左右)[19]; 对于大型土壤动物,已描述的蚯蚓有3500 种(约占全球所有种类的 1/2)[20],至于研究较多的蚂蚁和白蚁, 分别有14000 种和2700 种, 也仅占全球种类总数的 50%和 70%[20]; 已经记载的马

陆多达 11000 种, 但也仅占全球种类的15%[20]. 这些统计数据足以表明, 不

论在局域还是全球尺度上, 土壤中都存在着极其丰富的生物多样性,但是, 目前还没有人能够回答土壤中到底存在多少种生物.

如此巨大的土壤生物多样性在生态系统中具有重要功能, 尤其在凋落物分解和养分循环方面起着不可替代的作用[6]. 同时, 过去 20 年的一些研究还发现, 土壤生物多样性在植物群落维持和演替方面也起着重要的作用[23,24]. 对于人类社会, 土壤生物多样性还能提供重要的生态系统服务功能, 比如, 调控和驱动养分循环、水分供给、土壤发育、控制土壤侵蚀、控制农业害虫、调节气候和维持初级生产力等[25~29];据 Pimentel 等人[25]估算, 土壤生物多样性提供的这些生态系统服务功能价值高达 1.5 万亿美元.

在过去 20 年间, 土壤生物多样性研究基本经历了 3个主要阶段. 从早期的文献综述和专题讨论发现了人们对土壤生物多样性认识的局限性[28,30,37], 从而激发了土壤生态学家对土壤生物多样性问题的科学研究[17,18,39,40]; 尤其是控制实验和分子生物学技术的应用, 大大加深了人们对土壤生物多样性及其驱动生态功能的认识[41,42]; 而这些研究成果和认识使国际社会和各国政府充分意识到土壤生物多样性在维持生产力和保护环境方面的重要价值. 进入 21 世纪

之后, 对土壤生物多样性的监测和保护成为研究重点[43~46].

土壤生物多样性在环境污染治理和生态恢复中的应用. 土壤微生物对许多环境污染物质具有分解作用和解毒效应, 而土壤动物通过取食或者化学作用影响着土壤微生物群落, 因此如何利用土壤

生物群落之间的互作关系或者土壤食物网的整体作用来治理环境污染是未来一个重要的研究内容. 一些研究发现, 土壤生物能够促进演替的发生, 基于这些结果, 如何利用土壤生物多样性来促进生态系统的恢复过程也是未来重要的研究方向.