长期耕作对土壤质量和健康的影响越来越受关注。土壤微生物通过残留物分解、营养元素循环及与其它有机体结合等方式在农业生态系统健康发展中发挥不可或缺的作用。腐殖物质对土壤质量也是至关重要的。由于土壤微生物的高度丰富性和多样性,研究土壤环境中的微生物群落极具挑战性。此外,施肥对土壤微生物群落变化的影响至今没有定论。长期施肥对土壤腐殖物质组成及结构的影响也一直备受争议,还有很多问题有待解决。全球范围内遇到的难题首先是理解集约型耕作是如何改变生态系统,特别是如何影响土壤质量/健康,然后是如何提出新策略以充分利用耕作与农业系统之间的生态相互作用。尽管这些问题很严峻且多种多样,但它们的共同联系是土壤微生物和土壤有机质受人为和自然干扰影响。理解这些问题的关键是对土壤微生物生物量、活性、多样性以及土壤有机质(SOM)进行综合的表征,因为它们是土壤质量/健康的重要组成部分和关键指标。为了研究这些难题,中国农业科学院在湖南祁阳设立红壤试验站,进行了长期的定位研究,该试验站自1990年起建立了12种不同处理的小麦.玉米轮作试验。
　　 采集祁阳试验站的土壤,采用微量热法、平皿计数、PCR-DGGE、FT-IR、元素和光学分析等方法对易受长期施肥影响的微生物活性、生物量、多样性和腐殖物质等进行表征研究。结果表明施肥增加了土壤微生物生物量C和N(Cmic和Nmic)含量,提高了土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶和脱氢酶的活性。不同处理的蔗糖酶的活性变化最大(最大值/最小值=50.0),然后是脱氢酶(30.75)、脲酶(15.06)、蛋白酶(12.48)、磷酸酶(5.83)及过氧化氢酶(4.84)。休耕(H)和NPKM处理显示出更高的酶活性,但过氧化氢酶除外。CK处理和N处理显示较低的土壤酶活性。各处理中细菌和反硝化细菌的总量高于其它微生物。相比于有机肥处理,无机肥料处理中土壤微生物总量和种类数量有所下降。不同有机肥处理中,单施粪肥(M)处理的土壤反硝化细菌和好氧固氮细菌的数量最多。好氧纤维素分解细菌数量最多的休耕处理。与空白相比,单施粪肥处理的土壤反硝化细菌和好氧细菌的数量分别增加了54.4％和20.5％,休耕地(H)土壤中好氧纤维素分解细菌的数量增加了31.4％。在本研究中,土壤细菌和放线菌的数量与土壤有机碳(Corg)呈显著正相关,真菌的数量很大程度上则与C/N的比值相关。与单施无机肥料或空白相比,施用无机肥料加猪粪或稻草,或休耕处理的DGGE条带和Shannon指数有所增加。各无机肥处理土壤呈现非常相似的细菌群落结构,然而在不同处理之间,条带也有很大的变化。相比于有机肥处理,无机肥处理的土壤细菌数量较低,但有更大的峰值时间(tmax),且峰高(Pmax)与土壤酶、Cmic、Nmic和微生物数量呈正相关(P<0.01),峰值时间(tmax)则与这些参数呈负相关(P<0.01)。细菌生长速率常数(k)与细菌(p<0.01)、放线菌(p<0.05)和过氧化氢酶(p<0.05)相关。总放热量(Q)与所有的土壤微生物性质(过氧化氢酶除外)无关。峰高值和峰值时间都与土壤微生物性质相关,分别是正相关和负相关。在NPKM处理,土壤营养元素的总量和有效含量较高,而CK处理的营养元素含量较低。与CK处理相比,其它处理中通过连二亚硫酸钠.柠檬酸钠.碳酸钠(DCB)和焦磷酸钠(NaPP)分别提取的土壤晶形和非晶形铝、铁含量均有所下降,但单施粪肥除外。在NPKS处理中,两种形态的铝、铁含量最低(两种形态A1含量为4.65％和0.88％,两种形态铁含量为6.97％和1.33％)。与空白相比,休耕处理(H)中晶形和非晶形铝、铁含量也显著下降(两种形态A1为含量5.64％和1.56％,两种形态铁含量为8.46％和2.34％)。
　　 尽管通常情况下不同处理的土壤腐殖物质FT-IR光谱没有显著差异,但发现了一些重要特征。3400cm-1和3700cm-1处的强波带分别是结合和非结合羟基官能团的伸缩振动。2280cm-1和2360cm-1处的微弱波带部分来自于NH2+、CO-NHz、CO-NH-、S-H和P-H,1775 cm-1处的波带来自于脂肪酸的C=O键伸缩。1630cm-1处的波带可能是芳香族C=C振动、COO-官能团的对称伸缩和共轭酮类C=O的氢键。1120cm-1和1150 cm-1处的峰归因于C-O键伸缩,可用于证明COOH官能团的出现。强烈而尖锐的自由羟基O H伸缩振动(3620-3700cm-1)的出现是胡敏素组分的显著特征,而强烈的羰基C=O伸缩(1670-1820cm-1)仅在胡敏酸(HA)中出现。在HA和富里酸(FA)组分中均出现了C-N伸缩(1080-1360cm-1),而胡敏素(HM)缺少这类的伸缩振动。通过计算O/R比,即含氧官能团的强度与脂肪族和芳香族官能团强度的比值,可详细了解土壤腐殖物质对施肥处理的响应。相比于O/R值明显减小的1.5NPKM和H处理(分别是0.66和0.85),NOKM和M处理的胡敏酸显示了更高的O/R值(分别是1.24和1.18)。除了NPKMR处理,各处理之间的富里酸O/R值没有显著差异。H和CK处理的胡敏素显示出最高的O/R值(均约为3.23)。有机肥处理的土壤腐殖物质显现出更强的脂肪族性质,而未施肥和无机肥处理土壤中形成了更多的强碱可溶性腐殖物质。HA比FA和HM具有更强的酚类和芳烃结构,HM和HA的平均碳含量更高(分别是48.83％和47.96％)。与CK处理相比,其它处理的土壤腐殖物质中C、H、N、S含量显著增加,而氧含量下降。富里酸在465和665nm处(E4/E6比)出现了更大的吸收峰值(平均值是12.32),而胡敏酸和胡敏素则显示出较低的E4/E6比(平均值分别是6.03和5.16)。相比于未施肥和无机肥处理(CK和NPK),NPKM处理显示出最低的E4/E6比,随后是休耕(H)和NPKS处理。在本研究中,同时发现土壤有机碳与HA、FA、HM的碳含量有显著的正相关(相关系数分别是0.770、0.807和O.809)(p<0.05)。
　　 研究结果表明,Pmax和tmax可作为土壤微生物活性的指标,而k和Q的指示性很弱。该研究对长期施肥处理下土壤腐殖物质功能及结构组成的变化进行了细致和深入性的表征说明。