土壤_精品文档.pdfVIP

土壤_精品文档--第1页

土壤

土壤是地球表层具有生命的历史自然体,是连接岩石圈、生物圈、大气圈和水圈的纽带,

其形成、发育和功能将深刻影响地球生态系统的可持续性。因此,土壤也是地球生物学研究

的重要对象.地表岩石-土壤-生物-水-大气相互作用带被称为地球关键带(TheCriticalZone),

土壤-生物系统涉及植物、微生物和土壤无机组分,是地球关键带的重要组成部分.土壤生物

和土壤组分(有机质、矿物、水和离子)相互作用推动了土壤的形成和发育.土壤-植物系统的

过程集中体现了土壤中的地球生物学过程,包括土壤矿物和生物的相互作用、物质(元素)的转

化与运输.和传统土壤学研究相比,地球生物学的研究将更加注重土壤中物理、化学和生物

学过程的耦合,更加注重耦合过程背后的生物学机制,将突出土壤生物地球化学过程的动力

学机制.土壤-植物系统中的地球生物学过程的研究具有明显的学科交叉特点,能够更好地从

总体上把握土壤的生态和生产功能。因此,从地球生物学角度研究土壤-植物系统的相互作

用有助于推动土壤学的发展。1土壤微生物对岩石矿物的风化作用1.1微生物对岩石矿物风

化的作用土壤矿物由于暴露于雨水和氧化环境中,或者由于温度的变化,会发生风化作用.

矿物风化是最重要的表生地球化学过程之一(Barker等,1998)。在漫长的地质年代中,风化

作用使岩石破碎,成为细小的沙砾,形成结构疏松的风化壳,可称为土壤母质。母质代表土

壤的初始状态,它在气候与生物的作用下,经过漫长的过程,才逐渐转变成可生长的土壤。

微生物自我复制快、生理和生化活性高,是地球上出现最早、分布最广、种类最多、对环境

适应力最强的生物,而且能够在各种环境中甚至在极端环境中存活。地球表层几乎不存在未

经过微生物作用的物质。大量研究表明,矿物的溶解在微生物参与下与无菌情况下差异明显,

微生物导致矿物快速溶解,风化速率显著提高。矿物的微生物风化作用主要通过其新陈代谢

产物和分泌的化学物质或者通过氧化/还原作用来实现,其机制概括起来主要有以下几个方

面。1.1.1酸解作用酸解作用主要是依靠H+的质子交换作用。真菌能够产生柠檬酸、草酸和

葡萄糖酸,而细菌产生的酸包括甲酸、乙酸、醋酸、乳酸、琥珀酸、丙酮酸和其他一些小分

子有机酸。矿石中Na+,K+和Ca2+等碱金属和碱土金属阳离子易于与H+发生交换而溶出,

矿物在微生物作用形成的酸性条件下溶解。一些有机酸如柠檬酸、草酸和酒石酸等易于与

岩石中的高价金属离子(如Fe,Al,Cu,Zn和Mn等)通过络合作用形成络合物,从而大幅度

增加这些元素的溶出(Xiao等,2012)。1.1.2胞外聚合物作用微生物通过分泌胞外聚合物

(ExtracellularPolymericsubstance,EPS)使微生物细胞能固着在岩石表面而形成凝胶层或生物

膜。生物膜以细菌胞外聚合物作为接触媒介,在矿物表面通过糖醛酸及其他残留物的络合

作用,形成一个特殊的微环境,实现矿物的溶解。胞外聚合物含有大量具吸附能力的羟基,

对有机酸和一些无机离子有明显的吸附作用,其通过胞外多糖等大分子基团的吸附作用,直

接破坏矿物晶格中的某些化学键(Uroz等,2009),从而促进矿物风化。研究表明,硅酸盐细

菌对矿物结构的破坏作用与其胞外多糖和低分子量的酸性代谢产物有关(Bennett等,2001)。

胞外聚合物具有的络合功能可与矿物颗粒相互作用并形成细菌矿物复合体,提高硅酸盐矿

物的溶蚀能力。1.1.3氧化还原作用地球元素循环与氧化还原反应直接相关,是驱动矿物风

化、土壤物质循环的引擎。氧化还原反应可以自发发生,但是更多的是由