土壤微生物群落構(gòu)建理論與時(shí)空演變特征

賀紀(jì)正，王軍濤

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

土壤微生物群落構(gòu)建理論與時(shí)空演變特征

賀紀(jì)正*，王軍濤

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

土壤微生物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接或間接地參與幾乎所有的土壤生態(tài)過程，在物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換以及污染物降解等過程中都發(fā)揮著重要作用。對土壤微生物時(shí)空演變規(guī)律及其形成機(jī)制的研究，不僅是微生物演變和進(jìn)化的基礎(chǔ)科學(xué)問題，也是預(yù)測微生物及其所介導(dǎo)的生態(tài)功能對環(huán)境條件變化響應(yīng)、適應(yīng)和反饋的理論依據(jù)。討論了土壤微生物群落的定義、測度方法和指標(biāo)，認(rèn)為群落是聯(lián)系動(dòng)植物宏觀生態(tài)學(xué)與微生物生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)，群落構(gòu)建機(jī)制是宏觀和微觀生態(tài)學(xué)都需要研究的核心科學(xué)問題；從生態(tài)學(xué)的群落構(gòu)建理論出發(fā)，闡述了包括生態(tài)位理論/中性理論、過程理論和多樣性-穩(wěn)定性理論在土壤微生物時(shí)空演變研究中的應(yīng)用，以及微生物群落在時(shí)間和空間上的分布特征及其尺度效應(yīng)；確立了以微生物群落構(gòu)建理論為基礎(chǔ)、不同時(shí)空尺度下土壤微生物群落演變特征為主要內(nèi)容的微生物演變研究的基本框架。

土壤微生物；微生物地理學(xué)；微生物演變；生物多樣性；群落構(gòu)建

土壤微生物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接或間接地參與幾乎所有的土壤生態(tài)過程，在物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換以及污染物降解等過程中都發(fā)揮著重要作用[1]。對土壤微生物時(shí)空演變規(guī)律及形成機(jī)制的理解是全面認(rèn)識其在生態(tài)系統(tǒng)所執(zhí)行功能的必要條件[2]。與動(dòng)植物相比，由于微生物體積微小、數(shù)量龐大、代謝速率快和變異性強(qiáng)，一度被認(rèn)為是不存在地理分布格局的。近年來，微生物領(lǐng)域研究的進(jìn)展揭示了動(dòng)植物具有的部分時(shí)空演變規(guī)律，比如種-面積關(guān)系(Taxa-area Relationship)，距離-衰減關(guān)系(Distance-decay Relationship)以及廣域種-稀有種的分化等在微生物中都存在[3-5]。這些結(jié)果同時(shí)也表明，盡管微生物具有體積小、數(shù)量多這些特性，但其與其他生物的分布規(guī)律仍然具有共性。因此，建立對于動(dòng)植物和微生物都適用的理論架構(gòu)[6]、在有效的理論框架指導(dǎo)下探索微生物群落的時(shí)空演變特征及形成機(jī)制并揭示生物時(shí)空演變的一般規(guī)律是生態(tài)學(xué)未來發(fā)展的必然方向。

個(gè)體是生命特征的最小表現(xiàn)單元，但是在人類現(xiàn)有的認(rèn)知和研究能力范圍內(nèi)，自然狀態(tài)下土壤中的微生物從來不是以個(gè)體或種群形態(tài)單獨(dú)存在的，群體或者群落才是其存在的基本單元[7]。在這樣的單元中，微生物之間以及微生物與土壤環(huán)境之間進(jìn)行著物質(zhì)能量流動(dòng)和信息交換，不同的微生物密切聯(lián)系作為一個(gè)整體共同行使群落的功能。對于微生物時(shí)空分布的研究實(shí)際上是探索不同時(shí)間和空間條件下微生物群落的變化規(guī)律，即群落是微生物地理學(xué)研究的基本單位。而在宏觀生態(tài)學(xué)理論中，群落的構(gòu)建機(jī)制是生物多樣性產(chǎn)生和維持的核心研究內(nèi)容[8]。因此，對于群落的共同關(guān)注也是動(dòng)植物生態(tài)學(xué)和微生物生態(tài)學(xué)理論尋求統(tǒng)一的重要基礎(chǔ)。

長久以來，由于缺乏理論的指引，微生物生態(tài)學(xué)的研究大多只能是就事論事、分析表象，而不具有預(yù)見性。微生物時(shí)空演變的理論也一度僅僅以荷蘭微生物學(xué)家Beijerinck提出的“環(huán)境條件決定微生物”為指導(dǎo)[9]。事實(shí)上，土壤微生物時(shí)空演變的研究是由生態(tài)學(xué)到微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的延伸。微生物生態(tài)學(xué)的理論工具并非普通微生物學(xué)研究的思維定式，其理論發(fā)展的定位應(yīng)是以生態(tài)學(xué)的理論與指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，以地理學(xué)和生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論為支撐。本文討論了土壤微生物群落的定義、測度方法和指標(biāo)，并從生態(tài)學(xué)中群落構(gòu)建的角度出發(fā)，闡述了包括生態(tài)位/中性理論、過程理論和多樣性-穩(wěn)定性理論在內(nèi)的群落構(gòu)建的理論，以及微生物群落在時(shí)間和空間上的分布特征及其尺度效應(yīng)；指出土壤微生物生態(tài)學(xué)研究最終要能夠在時(shí)空尺度上對微生物的多樣性和功能進(jìn)行預(yù)測，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要多學(xué)科努力。

1 土壤微生物群落的定義及測度

生態(tài)學(xué)中對于群落的定義為“特定時(shí)空條件下，生活于具有明顯表觀特征的生境下、相互關(guān)聯(lián)的不同類群生物的有序集合體”，其基本特征包括外貌、種類組成與結(jié)構(gòu)(如捕食關(guān)系等)、群落環(huán)境、分布范圍和邊界特征等[10]。雖然這一定義中實(shí)際上包含了一定范圍內(nèi)的所有動(dòng)物、植物和微生物，但事實(shí)上不同生態(tài)學(xué)家說到群落的時(shí)候，往往指的只是自己研究的對象，即動(dòng)物群落或者植物群落。這種說法上的差異在動(dòng)物和植物研究中基本不存在問題，但是對于土壤微生物，以下問題需要注意(表1)：(1)樣本的代表性決定了群落。微生物絕大多數(shù)是肉眼不可見的，因此對于土壤微生物群落來說，外在形貌、邊界特征、分布范圍這些都是比較模糊的概念。實(shí)際的研究中是以極少量土壤樣本(0.25克到幾克)中的群落代表目標(biāo)范圍內(nèi)的微生物群落。比如不同土壤類型之間微生物群落差異是很大的，但同一類型的土壤在養(yǎng)分梯度或者不同土層上也存在差異[11]。因此，土壤微生物群落的界定是以研究目的為導(dǎo)向，而樣本的代表性決定了土壤微生物群落之間的差異。(2)對微生物群落的表征取決于研究的問題。對微生物群落的表征可以面向包括真核生物和原核生物的所有微生物，也可以只針對執(zhí)行特定功能的某些類群，即群落可以分為發(fā)生型和功能型兩類。(3)對于群落內(nèi)部的不同微生物之間的作用關(guān)系(即群落結(jié)構(gòu))目前并不能給出非常明確而全面的證據(jù)，因此我們只能先驗(yàn)性地認(rèn)為微生物群落內(nèi)各類群之間存在聯(lián)系，而后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證。微生物之間的作用關(guān)系，可以通過分析代謝途徑反映或者通過生物統(tǒng)計(jì)方法(比如網(wǎng)絡(luò)分析[12]等)計(jì)算不同分類單元在數(shù)量上的變化規(guī)律從而揭示兩者可能存在的聯(lián)系。

對微生物群落的物種組成進(jìn)行測度的基礎(chǔ)在于對微生物“種”的界定。由于微生物不具備明顯的生殖隔離等特征，因此分子生物學(xué)中以序列的相似度定義微生物物種。最經(jīng)典的判定方法為DNA序列雜交率70%以上則為同一物種，但該方法在現(xiàn)在的研究中并未得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際操作中，通常以基于rRNA基因或者編碼特定酶的功能基因的可操作分類單元(Operational Taxonomic Unit, OTU)表征物種水平的分類單元。一般認(rèn)為相似度大于97%的rRNA基因[13]序列屬于同一物種(即同一OTU)；對于功能基因，這一數(shù)據(jù)會(huì)視具體對象而有所變化，比如目前一般認(rèn)為氨單加氧酶amoA基因的為85%，而固氮酶nifH基因的則為90%。同樣，微生物之間的親緣關(guān)系也是以基因序列的相似度來度量。當(dāng)然，這種基于人為設(shè)定DNA序列相似度的界定方式在一定程度上并不能反映真實(shí)的物種差異[2]。相比之下對土壤宏基因組DNA進(jìn)行全基因組測序并拼接的方法能更準(zhǔn)確揭示物種組成[14]，但由于土壤微生物種類龐大，全基因組拼接的準(zhǔn)確度和難度都很高，因此并不常用。總體來說，基于OTU的物種分類方法雖然不是最完美的但卻是當(dāng)前最有效的微生物物種測度指標(biāo)。

在確立微生物物種的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對多樣性和多度指標(biāo)進(jìn)行考量，比如測度群落內(nèi)部的α多樣性(豐富度以單個(gè)樣本中的OTU數(shù)量表征，均勻度以Simpson均勻度指數(shù)[15]或者Gini系數(shù)表征[16]，多樣性以Shannon指數(shù)或者基于親緣關(guān)系的Faith指數(shù)[17]等表征)，反映群落之間差異的β多樣性(又稱周轉(zhuǎn)率，包括S?rensen距離和Jaccard距離、Bray-Curtis距離以及基于微生物親緣關(guān)系的UniFrac距離[18]等)，以及γ多樣性(即洲際尺度上的α多樣性)。多度有兩種表征方法：一種是通過對特定基因進(jìn)行定量PCR分析后折算為每克土壤中該基因的拷貝數(shù)表征；另一種則是通過測序方法，以不同分類水平上的序列條數(shù)占總序列條數(shù)的百分比表征(即多度格局[19])。

表1 動(dòng)植物群落與微生物群落及測度方法的異同

2 土壤微生物群落構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

理論的完善是學(xué)科發(fā)展的充要條件。微生物生態(tài)學(xué)理論的發(fā)展包含了兩方面的內(nèi)容：一方面是在現(xiàn)有的生態(tài)學(xué)研究體系下發(fā)展適用于微生物的理論框架；另一方面則是微生物領(lǐng)域的進(jìn)展對原有生態(tài)學(xué)理論的補(bǔ)充和反饋。群落的構(gòu)建機(jī)制是宏觀生態(tài)學(xué)體系的核心議題[8]，同時(shí)群落也是微生物生態(tài)學(xué)研究的基本對象[7]，因此土壤微生物時(shí)空演變機(jī)制實(shí)質(zhì)上也是在不同空間和時(shí)間尺度下微生物的群落構(gòu)建及演變機(jī)制。微生物群落構(gòu)建理論基礎(chǔ)主要有三種，即：生態(tài)位理論/中性理論和過程理論，多樣性-穩(wěn)定性理論。

2.1 生態(tài)位理論/中性理論

生態(tài)位理論與中性理論：生態(tài)位理論體現(xiàn)的是群落中不同生物對于各種環(huán)境條件和壓力適應(yīng)能力的綜合表現(xiàn)相互區(qū)別[8]，其生理基礎(chǔ)在于生物對于環(huán)境條件的耐受范圍(即生態(tài)幅)；中性理論忽略環(huán)境選擇作用但強(qiáng)調(diào)中性突變對于群落內(nèi)生物多樣性形成的重要性[7]，其生理依據(jù)是中性突變學(xué)說，即分子水平上無害的隨機(jī)變異與漂變等過程產(chǎn)生生物多樣性。前者強(qiáng)調(diào)的是確定性過程的作用，后者強(qiáng)調(diào)的是隨機(jī)過程的影響。因此，盡管生態(tài)位理論和中性理論并非同時(shí)產(chǎn)生，但往往被放在一起進(jìn)行比較，是矛盾對立但又互補(bǔ)統(tǒng)一的兩個(gè)方面。

生態(tài)位理論和中性理論發(fā)展時(shí)間相對較長，因此，與之相關(guān)的理論體系最為豐富。比如微生物地理學(xué)中最著名的Bass-Becking假說“Everything is everywhere, but the environment selects”[9]強(qiáng)調(diào)環(huán)境條件對于微生物的選擇作用，事實(shí)上就是生態(tài)位理論的體現(xiàn)。而中性過程可以被認(rèn)為是勻質(zhì)環(huán)境下微生物群落產(chǎn)生種-面積關(guān)系或者距離-衰減關(guān)系的基礎(chǔ)[4]。以生態(tài)位理論/中性理論為基礎(chǔ)，還進(jìn)一步衍生出了生態(tài)-歷史理論框架[20]：以小的時(shí)空尺度(生態(tài)位過程起主要作用)定義“生境(Habitat)”、以大的時(shí)空尺度(中性過程起主要作用)定義“域(Province)”。生態(tài)-歷史理論框架通過將微生物的地理格局歸因于生境與域的組合框架，即單生境單域(零假設(shè)，即微生物無地理分布格局)、單生境復(fù)域、復(fù)生境單域和復(fù)生境復(fù)域，從而將Bass-Becking假設(shè)也納入了該框架之下(即復(fù)生境單域)。多個(gè)研究中都利用這一框架對于微生物的地理格局成因做出解釋，比如在對三個(gè)隔離的站點(diǎn)(域)中不同施肥處理(生境)對土壤微生物群落多樣性影響的研究中，發(fā)現(xiàn)歷史因素的作用大于環(huán)境因子的作用[21]。另一項(xiàng)針對水體微生物的研究則發(fā)現(xiàn)，趨磁細(xì)菌的分布格局與鹽度呈顯著相關(guān)而與空間距離無顯著關(guān)系[22]，即環(huán)境因子而非歷史因素主導(dǎo)微生物的地理格局。歷史-生態(tài)理論框架的廣泛應(yīng)用也表明了經(jīng)典的生態(tài)位理論/中性理論在微生物生態(tài)研究中仍然充滿活力。

2.2 過程理論

生態(tài)位理論/中性理論從經(jīng)典生物地理學(xué)的角度解釋微生物的地理分布格局。這種由現(xiàn)象到理論機(jī)制的研究順序貫穿了生物地理學(xué)發(fā)展的歷史。雖然這是探究自然界的普遍模式，然而在解釋生物多樣性地理格局的時(shí)候，卻造成了一種比較混亂的局面：對于同一種格局，可以存在不同的理論解釋；格局的普遍性不斷被確認(rèn)，而理論解釋卻無法在同一種格局中通用，即理論的應(yīng)用缺乏普適性[23]。針對這一問題，2010年，Vellend根據(jù)種群遺傳學(xué)的選擇、漂變、突變和基因流動(dòng)(即擴(kuò)散)這四種在基因水平上的演化動(dòng)力的概念，提出了一個(gè)基于過程的群落生態(tài)學(xué)理論框架[24]。他指出，群落的構(gòu)建是由選擇、漂變、物種形成和擴(kuò)散這四個(gè)基本過程所決定的，所有的群落模式都可以用這四種過程不同程度作用的組合來解釋[23]。Hanson等人[25]在原來的歷史-生態(tài)論[20]的基礎(chǔ)上融合了該理論框架，提出生態(tài)和進(jìn)化尺度上的選擇(Selection)、漂變(Drift)、變異(Mutation)和擴(kuò)散(Dispersal)這四個(gè)過程是微生物地理格局產(chǎn)生與維持的原因，現(xiàn)階段解釋微生物地理格局的各種理論事實(shí)上都是對這四個(gè)過程不同程度上的強(qiáng)調(diào)。

過程理論認(rèn)為生態(tài)過程和中性過程的邊界并不清晰，兩者也不應(yīng)該被完全隔離，選擇、漂變、變異和擴(kuò)散這四個(gè)過程在生態(tài)和進(jìn)化水平上都發(fā)揮作用。變異在基因、基因型和個(gè)體水平上發(fā)生，是生物多樣性產(chǎn)生的基礎(chǔ)；選擇決定了對環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的變異被保留，也在群落內(nèi)改變不同物種的相對多度并達(dá)到平衡狀態(tài)；漂變的結(jié)果使得某一特定變異消亡，或者通過建立者效應(yīng)而形成單一的優(yōu)勢種群；擴(kuò)散通過減少種群群落之間的差異而抵消格局異質(zhì)性的產(chǎn)生?；谶@一框架，室內(nèi)與室外空氣微生物群落的差異被認(rèn)為是由于局域尺度上的擴(kuò)散限制導(dǎo)致的，而非室內(nèi)環(huán)境條件的選擇性[26]；而區(qū)域尺度上對于土壤氨氧化微生物的研究強(qiáng)調(diào)了土壤pH作為環(huán)境選擇條件對于其地理格局的驅(qū)動(dòng)作用[27]；針對淡水、沉積物、土壤等不同生境之間的微生物群落差異的研究也強(qiáng)調(diào)了選擇過程對于微生物群落構(gòu)建的重要性[28]。

2.3 多樣性-穩(wěn)定性理論

與過程理論拆分具體過程不同，群落構(gòu)建的多樣性-穩(wěn)定性理論關(guān)注的是微生物群落整體所處的狀態(tài)。群落的多樣性-穩(wěn)定性理論最早在20世紀(jì)50年代由MacArthur等人提出，指的是群落抵御外界壓力而維持原來的穩(wěn)定狀態(tài)[29]。根據(jù)該理論，土壤微生物群落可認(rèn)為是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的自組織系統(tǒng)，通過遺傳來維持其組成的穩(wěn)定性，通過演替而適應(yīng)外界環(huán)境。而由于不同微生物對于環(huán)境條件的耐受程度不同，可以定義微生物表現(xiàn)出抵抗力(x)和恢復(fù)力(y)兩種屬性(x,y)，分別指微生物群落抵御外界特定環(huán)境壓力維持自身穩(wěn)定的能力和回復(fù)到原始穩(wěn)定狀態(tài)的能力[29]。依據(jù)抵抗力/恢復(fù)力的高(+)低(-)，可將微生物分為四種類型，即抵抗力高恢復(fù)力高類型(+，+)、抵抗力高恢復(fù)力低類型(+，-)、抵抗力低恢復(fù)力高類型(-，+)和抵抗力低恢復(fù)力低類型(-，-)?；谶@種設(shè)定，提出了時(shí)間和空間上微生物群落構(gòu)建機(jī)制的概念模型(圖1)。在時(shí)間格局中，假定微生物存在一個(gè)相對穩(wěn)定的初始狀態(tài),當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變的時(shí)候，由于不同類群對該壓力抵抗力和恢復(fù)能力的差異，各自的響應(yīng)也不相同：(+，+)在最終穩(wěn)定的群落中會(huì)占據(jù)優(yōu)勢；(+，-)保持不變；(-，+)先減少后增加并恢復(fù)原狀；(-，-)可能被新出現(xiàn)的適應(yīng)性突變體取代。在空間格局中，則可以假定微生物在空間上的分布是均勻的，微生物不存在地理分布格局(即零假設(shè))。由于不同類群在同一環(huán)境梯度上的響應(yīng)不同，因此穩(wěn)定之后實(shí)際分布的群落中：(+，+)在最終穩(wěn)定的群落中會(huì)占據(jù)優(yōu)勢；(+，-)和(-，+)的類群最終都能保持相對不變；(-，-)可能被新出現(xiàn)的適應(yīng)性類群(突變體)取代。

圖1 時(shí)空尺度上的環(huán)境壓力下土壤微生物群落構(gòu)建的概念模型 Fig.1 Conceptual model of soil microbial community assembly under certain environmental stress within spatiotemporal scales(引自[29]，有修改)抵抗力高恢復(fù)力高(+，+)、抵抗力高恢復(fù)力低(+，-)、抵抗力低恢復(fù)力高(-，+)和抵抗力低恢復(fù)力低(-，-)四種不同類型的微生物分別用實(shí)心三角形、空心三角形、空心圓形和實(shí)心圓形表示

這一概念模型解釋了耐受性不同的微生物類群對同一環(huán)境壓力的響應(yīng)，而微生物群落整體的穩(wěn)定則是不同類群的抵抗力和恢復(fù)力的加和。用多樣性-穩(wěn)定性理論解釋微生物時(shí)空演變特征的最終結(jié)果，則是(1)在時(shí)間水平上，微生物的群落隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生變化，比如在經(jīng)歷了長期重金屬脅迫的環(huán)境壓力之后耐受性微生物類群明顯增加[10]；(2)在空間水平上，土壤微生物表現(xiàn)出與環(huán)境梯度密切相關(guān)的空間分布特征，比如我們在對全國不同森林土壤微生物的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，亞熱帶常綠闊葉林土壤中耐受低pH環(huán)境壓力的酸桿菌類群比例高于其他森林土壤(未發(fā)表數(shù)據(jù))。

上述三種理論基礎(chǔ)分別從不同角度闡述了微生物群落構(gòu)建的機(jī)制，反映了自然科學(xué)研究 “形而下”的發(fā)展規(guī)律。這三種理論基礎(chǔ)在生態(tài)學(xué)發(fā)展過程中都占據(jù)了重要的位置。其中，又以生態(tài)位理論/中性理論發(fā)展歷史最長、衍生的理論體系最為豐富，因此生態(tài)位/中性理論可以說是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)理論的重要基石。相比而言，過程理論和多樣性-穩(wěn)定性理論用于解釋群落構(gòu)建機(jī)制的時(shí)間較短(2010年以后)，所以目前還沒有很多的相關(guān)理論發(fā)展起來，但在將來相信會(huì)有更多的延伸。

3 土壤微生物群落時(shí)空演變的尺度效應(yīng)

盡管在群落構(gòu)建理論中沒有明確限定范圍，但自然界的所有格局與規(guī)律都具有尺度依賴性[30]，我們觀察到的土壤微生物時(shí)空分布規(guī)律都是建立于特定的時(shí)間和空間尺度乃至分類尺度上的。因此，尺度效應(yīng)是地理學(xué)與生態(tài)學(xué)等研究中必須考慮的關(guān)鍵問題。在不同的研究尺度上，驅(qū)動(dòng)微生物群落構(gòu)建機(jī)制的差異導(dǎo)致了群落演變規(guī)律的變化。

3.1 空間尺度

空間尺度可以簡單區(qū)分為大尺度、中尺度和小尺度[20]，也可以根據(jù)具體的研究范圍劃分為微小尺度、局域尺度、生態(tài)系統(tǒng)尺度、區(qū)域尺度、洲際尺度、全球尺度等。微生物在不同空間尺度上的分布特征是土壤微生物地理研究的主要方面。由于土壤微生物的大小在微米級以下，因此其空間分布可以涵蓋不同的研究尺度：在厘米以下的微小尺度范圍內(nèi)，土壤孔隙(團(tuán)聚體)結(jié)構(gòu)、微生物間的相互作用、根際效應(yīng)等[31]就可以導(dǎo)致微生物分布格局的差異；在米到公里的范圍內(nèi)[12]，土壤的異質(zhì)性、植被的差異、地形等因素對微生物的分布產(chǎn)生影響；在幾百乃至上千公里的更大的尺度上[32]，土壤發(fā)育條件、氣候、乃至地理隔離等條件都影響到微生物的空間分布。

不同空間尺度下土壤微生物的分布特征可能不同。最典型的例子是局域尺度(幾百米到幾千米)上海拔分布特局和區(qū)域尺度上(幾百公里到幾千公里)緯度分布格局的差異。海拔梯度和緯度梯度具有相似的環(huán)境條件，即隨著海拔/緯度的升高，溫度呈現(xiàn)線性降低并伴隨降水、植被、土壤等環(huán)境條件的變化。海拔梯度上的植物多樣性存在著降低或者單峰格局，而土壤微生物隨海拔梯度的單峰或者降低格局也被證實(shí)[33-34]。在大的區(qū)域尺度上，生物多樣性的緯度格局是生態(tài)學(xué)中一個(gè)重要的問題[35]。物種豐富度由熱帶到寒帶逐漸降低這一基本格局對于大型動(dòng)植物是確定的[36]，但是對無脊椎的動(dòng)物，包括蚯蚓、甲蟲等則缺乏適用性?，F(xiàn)有的證據(jù)表明，生物多樣性的緯度格局似乎存在一種尺度效應(yīng)，即體積小的生物在中緯度地區(qū)的多樣性最高[37]。由于缺乏在完整的緯度梯度上的詳實(shí)數(shù)據(jù)，土壤微生物的全球地理分布格局尚不確定。但根據(jù)現(xiàn)有的部分結(jié)果推測[38]，土壤微生物的緯度多樣性格局很可能與大型動(dòng)植物不一致。

從群落構(gòu)建理論角度看，造成不同尺度下土壤微生物群落空間分布格局差異的原因在于群落構(gòu)建機(jī)制的差異。這一解釋以生態(tài)位/中性理論的應(yīng)用最為廣泛：目前生態(tài)學(xué)家趨向于認(rèn)為生態(tài)位理論和中性理論都對群落構(gòu)建產(chǎn)生影響，但這種影響具有明顯的尺度依賴性，即小尺度下生態(tài)位理論的作用大于中性理論，而大尺度下中性理論的作用大于生態(tài)位理論[7]。在認(rèn)可微生物擴(kuò)散限制的前提下，根據(jù)過程理論的體系，擴(kuò)散過程在小尺度比在大尺度更容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 時(shí)間尺度

土壤微生物群落隨著時(shí)間的演變同樣具有明顯的尺度效應(yīng)。時(shí)間尺度上的研究跨度可以從小時(shí)、天、月到季節(jié)、年乃至更久。在小的時(shí)間尺度上，微生物群落動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)因子是間歇性脈沖式的，從而引發(fā)微生物的快速響應(yīng)。比如，在經(jīng)歷了長期的干旱之后，降水導(dǎo)致的土壤含水量的增加會(huì)發(fā)生在幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)或者幾天的時(shí)間里，這使得某些親緣關(guān)系密切的特定的微生物突然復(fù)蘇并持續(xù)增多，這種快速響應(yīng)與氮礦化和土壤二氧化碳釋放等的變化密切相關(guān)[39]。而在稍長的時(shí)間內(nèi)，土壤微生物群落對環(huán)境條件的響應(yīng)具有明顯的季節(jié)性差異：春季和秋季對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)最為積極，而夏季與植被之間關(guān)系密切[40]。

由于大的歷史時(shí)間具有不可重復(fù)性，因此單從生態(tài)學(xué)的角度看，對于土壤微生物群落時(shí)間演替的研究只能在較短的時(shí)間尺度(天、月、年)上進(jìn)行，而無法對土壤微生物群落在大的時(shí)間尺度上的演變規(guī)律進(jìn)行直接研究。這種思路和技術(shù)上的限制阻礙了對大尺度上微生物群落的時(shí)間演替規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理解。土壤學(xué)理論為這種困境提供了部分解決方案。道庫恰耶夫的成土理論指出，土壤是由特定地形下的成土母質(zhì)，經(jīng)過氣候和生物長時(shí)間的作用而形成的[41]。而微生物是土壤發(fā)育初始階段的主要生物驅(qū)動(dòng)力。因此，可以用空間代替時(shí)間的方法，通過對不同的土壤演替序列(Chronosequence)中微生物群落的分析來反映其在大的時(shí)間尺度上的演替規(guī)律。例如，可以冰川退縮后暴露出來的母質(zhì)作為土壤發(fā)育初始過程的起點(diǎn)，通過測量冰川的退化距離而計(jì)算土壤的發(fā)育時(shí)間，通過對不同發(fā)育程度的土壤中微生物群落的分析來揭示微生物群落在大的時(shí)間尺度上的演替規(guī)律與機(jī)制。鑒于土壤發(fā)育的基本過程，可以推測大致上存在這樣的時(shí)間格局：在演替的初始階段，土壤食物網(wǎng)絡(luò)由簡單的異養(yǎng)微生物、光合以及固氮微生物組成；隨著時(shí)間推移，群落越來越復(fù)雜并趨于穩(wěn)定，伴隨食物鏈延長，植物對通過菌根真菌獲取養(yǎng)分的依賴性增加[42]。

對一些具有特殊地質(zhì)歷史背景的生境的研究在一定程度上也能反映出大的時(shí)間尺度上土壤微生物群落的演變特征。例如，在地質(zhì)歷史上青藏高原南部大概在700萬年之前從海底隆起，是非常年輕的山脈[43]。對青藏高原南部色季拉山土壤微生物群落組成的研究結(jié)果表明[34]，土壤古菌中海洋底棲微生物類群Marine Benthic Group A (MBGA)的相對多度非常高(平均大于60%)，表明經(jīng)歷幾百萬年之后土壤微生物群落可能仍然遺存了部分對于海洋環(huán)境的適應(yīng)特性，歷史效應(yīng)可能在當(dāng)代仍得以保留。這一結(jié)果暗示了在長期進(jìn)化歷史中，中性過程對微生物群落演替的影響仍然很大。此外，對古老冰芯的研究也是反映微生物群落在地質(zhì)歷史時(shí)期演變特征的有效途徑，由于與外界環(huán)境之間缺乏基因交流，這一生境是反映微生物進(jìn)化的比較理想的模式[44]。

4 問題與展望

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤作為地上和地下生物群落聯(lián)系的樞紐，是各種復(fù)雜生態(tài)過程發(fā)生的場所。動(dòng)植物與微生物群落之間、微生物群落內(nèi)部、微生物群落與土壤環(huán)境之間的相互作用，以及生物與環(huán)境條件本身在時(shí)空尺度上的變化，都會(huì)對微生物群落的時(shí)空演變產(chǎn)生影響。從哲學(xué)角度上說，我們永遠(yuǎn)不可能準(zhǔn)確而完整地認(rèn)識微生物群落時(shí)空演變的所有特征[45]。因此，根據(jù)當(dāng)前微生物群落演變的理論以及其在時(shí)空尺度上的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，發(fā)展相關(guān)生態(tài)模型來簡化研究問題并突出主要矛盾就顯得尤為迫切，例如通過對決定微生物時(shí)空演變的因子解析，建立物種分布模型，最終實(shí)現(xiàn)對大的空間尺度和時(shí)間尺度上的微生物群落演變規(guī)律的預(yù)測[46]。

圖2 我國土壤微生物時(shí)空演變格局的研究框架 Fig.2 A research framework on the spatiotemporal patterns of soil microbes in China

土壤微生物時(shí)空演變研究是以對微生物功能的關(guān)注為根本驅(qū)動(dòng)力的，其主要內(nèi)涵是土壤微生物維持陸地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和功能所發(fā)揮的作用。而這一問題實(shí)際指向的是植物和微生物的共進(jìn)化演變格局。土壤微生物和地上植物之間存在著緊密的相互作用：植物影響微生物的主要途徑包括對土壤的營養(yǎng)輸入和對內(nèi)生菌、根際微生物的直接影響[47]；微生物對植物的影響主要為分解凋落物，通過調(diào)控土壤營養(yǎng)來改變植被的生長和群落結(jié)構(gòu)。氮素是土壤中的常見限制性營養(yǎng)元素，而植物本身不能固氮，因此固氮微生物對植物初級生產(chǎn)力有著更加明顯的影響。植物的內(nèi)生菌、根際微生物可以更直接地影響植物，也可以通過介導(dǎo)植物和非根際微生物之間的物質(zhì)和能量交流來影響植物和非根際微生物。兩者相互影響和相互改變，形成正反兩方面的反饋，共同驅(qū)動(dòng)了各自群落結(jié)構(gòu)的演變，也影響了土壤元素循環(huán)過程和組分。因此，在當(dāng)前全球氣候變化背景下，關(guān)注土壤微生物和植物的格局及其在時(shí)空尺度上演變規(guī)律的聯(lián)系，有助于我們更為準(zhǔn)確地評估氣候變化的環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)。

我國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異顯著。沿著東西方向的經(jīng)度梯度降水發(fā)生明顯變化，草原、灌叢、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)植被差異明顯；南北方向的緯度梯度上涵蓋了由熱帶雨林到寒溫帶落葉針葉林在內(nèi)的完整森林帶譜，是研究緯度生物多樣性格局的理想環(huán)境；垂直方向上有著豐富的山地生態(tài)系統(tǒng)，更是有著青藏高原這樣的“世界屋脊”。不同的生態(tài)系統(tǒng)自然變異及受人為干擾程度各不相同，這就為研究不同尺度下氣候環(huán)境因子與人為干擾因子對土壤微生物時(shí)空分布的影響提供了理想環(huán)境。在這些環(huán)境梯度下，豐富的氣候條件和土壤類型孕育了紛繁復(fù)雜的土壤微生物，使得中國在土壤微生物的時(shí)空分布研究中具有獨(dú)特的研究背景。同時(shí)在從南到北的熱量梯度樣帶、從東到西的降雨梯度樣帶上具備了長達(dá)30年的長期定位試驗(yàn)站，這些都為研究土壤微生物隨時(shí)間上的演替規(guī)律提供了理想平臺(tái)。在客觀條件上，高通量測序技術(shù)的迅猛發(fā)展為大規(guī)模的土壤微生物群落調(diào)查提供了技術(shù)支撐；另一方面，通過對土壤樣本采集、樣本處理與保藏等一系列過程的統(tǒng)一規(guī)范從而建立土壤生物樣本庫[48]，為大的空間尺度以及時(shí)間序列上的土壤微生物群落演變研究提供基礎(chǔ)。通過這些努力，有望闡明我國主要生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的時(shí)空分布格局、多樣性的形成機(jī)制及其潛在生態(tài)功能，為提升生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供理論依據(jù)(圖2)。

[1] 賀紀(jì)正, 陸雅海, 傅伯杰. 土壤生物學(xué)前沿. 北京: 科學(xué)出版社, 2015.

[2] 賀紀(jì)正, 葛源. 土壤微生物生物地理學(xué)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(11): 5571-5582.

[3] Bell T, Ager D, Song J I, Newman J A, Thompson I P, Lilley A K, Van Der Gast C J. Larger islands house more bacterial taxa. Science, 2005, 308(5730): 1884-1884.

[4] Cho J C, Tiedje J M. Biogeography and degree of endemicity of fluorescent Pseudomonas strains in soil. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66(12): 5448-5456.

[5] Green J, Bohannan B J M. Spatial scaling of microbial biodiversity. Trends in Ecology & Evolution, 2006, 21(9): 501-507.

[6] Prosser J I, Bohannan B J M, Curtis T P, Ellis R J, Firestone M K, Freckleton R P, Green J L, Green L E, Killham K, Lennon J J, Osborn A M, Solan M, Van Der Gast C J, Young J P W. The role of ecological theory in microbial ecology. Nature Reviews Microbiology, 2007, 5(5): 384-392.

[7] 曹鵬, 賀紀(jì)正. 微生物生態(tài)學(xué)理論框架初探. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(22): 1-14.

[8] ?？瞬? 劉懌寧, 沈澤昊, 何芳良, 方精云. 群落構(gòu)建的中性理論和生態(tài)位理論. 生物多樣性, 2009, 17(6): 579-593.

[9] O′Malley M A. The nineteenth century roots of ′everything is everywhere′. Nature Reviews Microbiology, 2007, 5(8): 647-651.

[10] 李博. 生態(tài)學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2000.

[11] Cao P, Zhang L M, Shen J P, Zheng Y M, Di H J, He J Z. Distribution and diversity of archaeal communities in selected Chinese soils. FEMS Microbiology Ecology, 2012, 80(1): 146-158.

[12] Wang J T, Zheng Y M, Hu H W, Zhang L M, Li J, He J Z. Soil pH determines the alpha diversity but not beta diversity of soil fungal community along altitude in a typical Tibetan forest ecosystem. Journal of Soils and Sediments, 2015, 15(5): 1224-1232.

[13] Vandamme P, Pot B, Gillis M, De Vos P, Kersters K, Swings J. Polyphasic taxonomy, a consensus approach to bacterial systematics. Microbiological Reviews, 1996, 60(2): 407-438.

[14] 賀紀(jì)正, 袁超磊, 沈菊培, 張麗梅. 土壤宏基因組學(xué)研究方法與進(jìn)展. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(1): 155-164.

[15] Simpson E H. Measurement of diversity. Nature, 1949, 163(4148): 688-688.

[16] Wittebolle L, Marzorati M, Clement L, Balloi A, Daffonchio D, Heylen K, De Vos P, Verstraete W, Boon N. Initial community evenness favours functionality under selective stress. Nature, 2009, 458(7238): 623-626.

[17] Faith D P. Conservation evaluation and phylogenetic diversity. Biological Conservation, 1992, 61(1): 1-10.

[18] Lozupone C A, Hamady M, Kelley S T, Knight R. Quantitative and qualitative β diversity measures lead to different insights into factors that structure microbial communities. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(5): 1576-1585.

[19] 馬克明. 物種多度格局研究進(jìn)展. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 27(3): 412-426.

[20] Martiny J B H, Bohannan B J M, Brown J H, Colwell R K, Fuhrman J A, Green J L, Horner-Devine M C, Kane M, Krumins J A, Kuske C R, Morin P J, Naeem S, ?vre?s L, Reysenbach A -L, Smith V H, Staley J T. Microbial biogeography: putting microorganisms on the map. Nature Reviews Microbiology, 2006, 4(2): 102-112.

[21] Ge Y, He J Z, Zhu Y G, Zhang J B, Xu Z H, Zhang L M, Zheng Y M. Differences in soil bacterial diversity: driven by contemporary disturbances or historical contingencies?. The ISME Journal, 2008, 2(3): 254-264.

[22] Lin W, Wang Y Z, Li B, Pan Y X. A biogeographic distribution of magnetotactic bacteria influenced by salinity. The ISME Journal, 2012, 6(2): 475-479.

[23] 朱璧如, 張大勇. 基于過程的群落生態(tài)學(xué)理論框架. 生物多樣性, 2011, 19(4): 389-399.

[24] Vellend M. Conceptual synthesis in community ecology. The Quarterly Review of Biology, 2010, 85(2): 183-206.

[25] Hanson C A, Fuhrman J A, Horner-Devine M C, Martiny J B H. Beyond biogeographic patterns: processes shaping the microbial landscape. Nature Reviews Microbiology, 2012, 10(7): 497-506.

[26] Adams R I, Miletto M, Taylor J W, Bruns T D. Dispersal in microbes: fungi in indoor air are dominated by outdoor air and show dispersal limitation at short distances. The ISME Journal, 2013, 7(7): 1262-1273.

[27] Hu H W, Zhang L M, Dai Y, Di H J, He J Z. pH-dependent distribution of soil ammonia oxidizers across a large geographical scale as revealed by high-throughput pyrosequencing. Journal of Soils and Sediments, 2013, 13(8): 1439-1449.

[28] Wang J J, Shen J, Wu Y C, Tu C, Soininen J, Stegen J C, He J Z, Liu X Q, Zhang L, Zhang E L. Phylogenetic beta diversity in bacterial assemblages across ecosystems: deterministic versus stochastic processes. The ISME Journal, 2013, 7(7): 1310-1321.

[29] 賀紀(jì)正, 李晶, 鄭袁明. 土壤生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性——穩(wěn)定性關(guān)系的思考. 生物多樣性, 2013, 21(4): 411-420.

[30] 呂一河, 傅伯杰. 生態(tài)學(xué)中的尺度及尺度轉(zhuǎn)換方法. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(12): 2096-2105.

[31] Marschner P, Yang C H, Lieberei R, Crowley D E. Soil and plant specific effects on bacterial community composition in the rhizosphere. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(11): 1437-1445.

[32] Fierer N, Jackson R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(3): 626-631.

[33] Singh D, Takahashi K, Kim M, Chun J, Adams J M. A hump-backed trend in bacterial diversity with elevation on Mount Fuji, Japan. Microbial Ecology, 2012, 63(2): 429-437.

[34] Wang J T, Cao P, Hu H W, Li J, Han L L, Zhang L M, Zheng Y M, He J Z. Altitudinal distribution patterns of soil bacterial and archaeal communities along Mt. shegyla on the tibetan plateau. Microbial Ecology, 2014, 69(1): 135-145.

[35] Willig M R, Kaufman D M, Stevens R D. Latitudinal gradients of biodiversity: pattern, process, scale, and synthesis. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2003, 34: 273-309.

[36] Gaston K J. Global patterns in biodiversity. Nature, 2000, 405(6783): 220-227.

[37] De Deyn G B, Van Der Putten W H. Linking aboveground and belowground diversity. Trends in Ecology & Evolution, 2005, 20(11): 625-633.

[38] Tedersoo L, Bahram M, P?lme S, K?ljalg U, Yorou N S, Wijesundera R, Ruiz L V, Vasco-Palacios A M, Thu P Q, Suija A, Smith M E, Sharp C, Saluveer E, Saitta A, Rosas M, Riit T, Ratkowsky D, Pritsch K, P?ldmaa K, Piepenbring M, Phosri C, Peterson M, Parts K, P?rtel K, Otsing E, Nouhra E, Njouonkou A L, Nilsson R H, Morgado L N, Mayor J, May T W, Majuakim L, Lodge D J, Lee S S, Larsson K H, Kohout P, Hosaka K, Hiiesalu I, Henkel T W, Harend H, Guo L D, Greslebin A, Grelet G, Geml J, Gates G, Dunstan W, Dunk C, Drenkhan R, Dearnaley J, De Kesel A, Dang T, Chen X, Buegger F, Brearley F Q, Bonito G, Anslan S, Abell S, Abarenkov K. Global diversity and geography of soil fungi. Science, 2014, 346(6213): 1256688.

[39] Placella S A, Brodie E L, Firestone M K. Rainfall-induced carbon dioxide pulses result from sequential resuscitation of phylogenetically clustered microbial groups. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(27): 10931-10936.

[40] Regan K M, Nunan N, Boeddinghaus R S, Baumgartner V, Berner D, Boch S, Oelmann Y, Overmann J, Prati D, Schloter M, Schmitt B, Sorkau E, Steffens M, Kandeler E, Marhan S. Seasonal controls on grassland microbial biogeography: Are they governed by plants, abiotic properties or both?. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 71: 21-30.

[41] Jenny H. Factors of Soil Formation: A System of Quantitative Pedology. New York: Dover publications, 1941.

[42] Bardgett R D, Van Der Putten W H. Belowground biodiversity and ecosystem functioning. Nature, 2014, 515(7528): 505-511.

[43] Wang C S, Zhao X X, Liu Z F, Lippert P C, Graham S A, Coe R S, Yi H S, Zhu L D, Liu S, Li Y L. Constraints on the early uplift history of the Tibetan Plateau. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(13): 4987-4992.

[44] Price P B. A habitat for psychrophiles in deep Antarctic ice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2000, 97(3): 1247-1251.

[45] J?rgensen S E, Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modelling. 3th ed. UK: Elsevier, 2001.

[46] Fierer N, Ladau J, Clement J C, Leff J W, Owens S M, Pollard K S, Knight R, Gilbert J A, McCulley R L. Reconstructing the microbial diversity and function of pre-agricultural tallgrass prairie soils in the united states. Science, 2013, 342(6158): 621-624.

[47] Wardle D A, Bardgett R D, Klironomos J N, Set?l? H, Van Der Putten W H, Wall D H. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science, 2004, 304(5677): 1629-1633.

[48] Cary S C, Fierer N. The importance of sample archiving in microbial ecology. Nature Reviews Microbiology, 2014, 12(12): 789-790.

Mechanisms of community organization and spatiotemporal patterns of soil microbial communities

HE Jizheng*, WANG Juntao

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

As an important component of terrestrial ecosystems, soil microbial communities are directly or indirectly involved in almost all soil ecological processes, including material cycles, energy conversion, and pollutant transformation. Studies of the spatiotemporal patterns of changes in soil microbial communities and the underlying mechanisms would help us determine the basic principle of microbial evolution, and would provide a scientific basis to predict the response, adaptation, and feedback of the microbial communities to environmental changes. In this review, we discuss the definition, analysis methods, and indices of soil microbial community. We argue that community could be the basic unit in macro-ecology and microbial ecology. Studies of community organization mechanisms are at the core of both the macro-and microbial ecology. Based on the community organization theories in ecology, ecological niche and neutral theories, process-based theories, and diversity-stability theories were introduced and applied to understand the soil microbial spatiotemporal patterns and the scale effects. A framework for the study of spatiotemporal patterns of changes in soil microbial communities was proposed based on the community organization theories under different spatial and temporal scales.

soil microbial community; microbial biogeography; microbial evolution; biodiversity; community organization

國家自然科學(xué)基金(41230857)；典型生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生態(tài)空間特征評價(jià)(STSN-21-02)

2015-06-06; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015-07-29

10.5846/stxb201506061143

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jzhe@rcees.ac.cn

賀紀(jì)正，王軍濤.土壤微生物群落構(gòu)建理論與時(shí)空演變特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(20):6575-6583.

He J Z, Wang J T.Mechanisms of community organization and spatiotemporal patterns of soil microbial communities.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6575-6583.