高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落特征及氮素動(dòng)態(tài)研究進(jìn)展

徐 波

（阿壩師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，四川阿壩 623002）

高山環(huán)境氣候條件嚴(yán)酷，低溫和短暫的生長(zhǎng)季是影響高山植物生長(zhǎng)與物候節(jié)律最主要的限制因子［1］。氮素是限制高山植物生產(chǎn)力最大的因素［1］，而低溫又是限制植物有效氮素供應(yīng)的主要因子［2］。因此，高山生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素動(dòng)態(tài)對(duì)植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵性作用。

傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，高山生態(tài)系統(tǒng)土壤中的微生物在寒冷的冬季將處于休眠或者活性較低狀態(tài)。然而近年來(lái)大量研究表明，雪被下土壤微生物在土溫低至0℃以下仍能保持較高的生理活性［3］。土壤微生物在非生長(zhǎng)季對(duì)凋落物的分解和土壤養(yǎng)分的礦化起著十分重要的作用，其活性影響高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素動(dòng)態(tài)［4］。此外，微生物本身就是土壤中1個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)有機(jī)氮庫(kù)［5，6］，在冬季與春季過(guò)渡階段存在著由微生物生物量氮轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥揽扇苄缘倪^(guò)程［5，7］，早春季節(jié)土壤有機(jī)氮的脈沖效應(yīng)為早春植物的生長(zhǎng)提供很好的養(yǎng)分保障［8］。因此，探究高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物活動(dòng)與氮素動(dòng)態(tài)之間的相互關(guān)系，有助于了解高山生態(tài)系統(tǒng)土壤對(duì)植物的養(yǎng)分供應(yīng)狀況，也為進(jìn)一步了解高山植物如何適應(yīng)養(yǎng)分匱乏的高山環(huán)境提供參考。

1 高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落特征

1.1 土壤微生物活性 由于高山土壤在1年中有較長(zhǎng)時(shí)間處于凍結(jié)狀態(tài)，因此這一惡劣環(huán)境中的土壤微生物將經(jīng)歷1個(gè)漫長(zhǎng)而寒冷的冬季。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們都主觀地認(rèn)為土壤微生物在寒冷的季節(jié)將處于休眠狀態(tài)。然而，近年來(lái)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷的季節(jié)，北極地區(qū)的土壤仍能維持微生物的活動(dòng)，甚至在土壤處于凍結(jié)狀態(tài)下仍然存在著微生物的活動(dòng)［9］。其主要原因?yàn)?，即使土壤中大部分的水都已結(jié)冰，土壤顆粒周圍仍然存在著較薄的液態(tài)水膜，而這些水膜在低于-10℃，甚至低至-40℃時(shí)才會(huì)凍結(jié)［3］，只要有非凍結(jié)的液態(tài)水存在，土壤微生物就可以維持其生理活性［9］。土壤微生物活性對(duì)溫度變化十分敏感，微生物活動(dòng)將隨溫度的降低而迅速下降［9］。在冬季，高山土壤表層被積雪覆蓋，這些厚厚的積雪將對(duì)土壤溫度起到很好的調(diào)節(jié)作用，從而使得雪被下的微生物在外界氣溫很低且波動(dòng)巨大的情況下仍能保持活性。Brooks等［10］研究表明，雪被覆蓋對(duì)于土壤溫度的影響作用明顯，往往能使土壤溫度在冬季保持在-5℃左右，而且由土壤顆粒所吸附的水在土壤溫度低于-8℃以后才會(huì)結(jié)冰［3］。因此，土壤微生物在土溫低于0℃仍能保持其生理活性。

1.2 土壤微生物群落的季節(jié)轉(zhuǎn)化 高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落的菌群類型及其功能均存在明顯的季節(jié)差異。有研究表明，土壤微生物群落在非生長(zhǎng)季以真菌為主［11］，在生長(zhǎng)季則以細(xì)菌為主［5］。Lipson和Schmidt［12］對(duì)高山凍土土壤細(xì)菌群落季節(jié)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌菌落的結(jié)構(gòu)組成存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。一些研究針對(duì)高山環(huán)境中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化進(jìn)行了潛在原因分析，例如，Nemergut等［4］指出，夏季由于溫度較高，植物生長(zhǎng)和代謝旺盛，將釋放出大量的根際分泌物，從而為細(xì)菌的大量繁殖提供了充足的養(yǎng)分物質(zhì)；秋季植物開(kāi)始停止生長(zhǎng)，微生物群落則轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳弥参锏蚵湮锏恼婢純?yōu)勢(shì)；進(jìn)入冬季后，適應(yīng)寒冷的微生物菌群便開(kāi)始大量繁殖。此外，Lipson等［13］在探討土壤微生物生物量在融雪后下降的潛在機(jī)制中指出，由于溫度的升高與可利用碳含量的下降，將導(dǎo)致土壤微生物生物量碳平衡在冬季和夏季經(jīng)歷1次重要的轉(zhuǎn)變。目前，眾多關(guān)于土壤微生物群落組成隨季節(jié)變化研究均一致認(rèn)為，真菌作為冬季土壤微生物群落中的優(yōu)勢(shì)菌種，更加適應(yīng)寒冷的氣候條件，并有助于利用非生長(zhǎng)季中復(fù)雜的凋落物底物，如纖維素和香草酸等［5］；夏季以細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)的微生物群落更適應(yīng)低成本的資源物質(zhì)，如根系分泌物，并能迅速利用這些多樣化的底物來(lái)源。

1.3 凍融交替對(duì)土壤微生物的影響 高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物在季節(jié)性雪被形成和消融期間，必定會(huì)經(jīng)歷頻繁的凍融交替過(guò)程。然而，在極地苔原、高寒草甸和世界各地不同的高山生態(tài)系統(tǒng)中，由于冬季氣溫、雪被覆蓋的時(shí)間和空間均存在顯著的差異，因而土壤凍融的狀態(tài)也存在很大的異質(zhì)性。以青藏高原為例，在高原中部的那曲地區(qū)，表層土壤真正凍結(jié)的天數(shù)較少（約1個(gè)月），存在凍融交替過(guò)程的天數(shù)則較多（約6個(gè)月），土壤將經(jīng)歷頻繁的凍融交替［14］；而在藏北高原的大部分地區(qū)，表層土壤從10月份便開(kāi)始凍結(jié)，直到次年4至5月份才開(kāi)始消融，這些區(qū)域土壤的凍融交替過(guò)程便相對(duì)較少［15］。土壤微生物的活動(dòng)將受到凍融交替的頻率、凍結(jié)的速率及溫度變化幅度等諸多因素的強(qiáng)烈影響。通常認(rèn)為，土壤快速凍結(jié)與消融過(guò)程對(duì)土壤微生物的細(xì)胞活性影響較小，但凍結(jié)時(shí)的最終溫度，卻對(duì)土壤微生物的細(xì)胞活性有較大的影響，即當(dāng)凍結(jié)后的最終溫度高于細(xì)胞可耐受的臨界溫度，融化速率將不會(huì)影響到細(xì)胞的存活，當(dāng)最終溫度低于細(xì)胞臨界值時(shí)，升溫融化速率將成為影響細(xì)胞存活的主要因素［16］。

土壤微生物生物量在寒冷季末期的融雪開(kāi)始前這一時(shí)期達(dá)到1年中的最大值，在冬季和春季過(guò)渡時(shí)期從融雪開(kāi)始，將出現(xiàn)頻繁的凍融交替過(guò)程，微生物生物量將迅速下降［7，13］。造成這一階段微生物生物量急劇下降的潛在原因，通常認(rèn)為有以下3個(gè)方面：

第一，土壤微生物細(xì)胞透性的改變。在冬季和春季的過(guò)渡時(shí)期，微生物細(xì)胞透性的增加能夠更好地適應(yīng)土壤水分的上升［17］。第二，在高山土壤中存在微生物群落類型的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，即夏季以細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)的微生物群落轉(zhuǎn)化為冬季以真菌占優(yōu)勢(shì)的耐寒型微生物群落［6］。這2種類型的微生物群落對(duì)于土壤養(yǎng)分的需求差異成為影響土壤氮素循環(huán)的重要限制因子［11］。同時(shí)，Lipson和 Schmidt［12］研究結(jié)果表明，高山凍土土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)和菌群組成具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。Nemergut［4］等的研究結(jié)果也證實(shí)了微生物群落組成存在季節(jié)性轉(zhuǎn)變的這一結(jié)果。而且，1個(gè)關(guān)于高山凍原土壤真菌群落系統(tǒng)發(fā)育的研究結(jié)果也揭示了冬季土壤中的真菌群落類型與春季和夏季的不同，即冬季微生物群落具有更大的真菌/細(xì)菌生物量比值［11］。第三，碳限制假說(shuō)。隨著微生物活動(dòng)對(duì)碳消耗的增加，在非生長(zhǎng)季末期出現(xiàn)的碳素供應(yīng)不足，可能是導(dǎo)致冬季土壤微生物菌群（如真菌）大量死亡的重要原因。由于微生物死亡而導(dǎo)致其細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的養(yǎng)分釋放，從而使得以微生物生物量氮為主要來(lái)源的土壤氮素不斷積累［7，12］。

2 高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素動(dòng)態(tài)

大氣氮沉降、土壤母質(zhì)的礦化、有機(jī)質(zhì)的礦化和生物固氮是高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的主要來(lái)源［1］。植物吸收利用、微生物活動(dòng)和淋溶作用等對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)起著重要作用［18-20］。

2.1 大氣氮沉降 大氣氮沉降可分為干沉降（如粉塵顆粒）和濕沉降（如霧、雨和雪等）。高山生態(tài)系統(tǒng)空氣中粉塵含量較低，主要以濕沉降為主，而濕沉降又以降雨和降雪為主［1］。但是，由于人類活動(dòng)的密集區(qū)域往往遠(yuǎn)離高山環(huán)境，故其大氣氮沉降的量要遠(yuǎn)低于海拔較低的地區(qū)［21］。在高山生態(tài)系統(tǒng)中，每年由降水（包括降雪）輸入的氮素進(jìn)入養(yǎng)分循環(huán)量雖然只占其全年氮循環(huán)量的1%［22］，但是，降雪作為高山環(huán)境長(zhǎng)期氮素輸入來(lái)源的時(shí)間累積效應(yīng)不可小覷。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，降雪帶來(lái)的新氮素勢(shì)必會(huì)對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的土壤氮庫(kù)產(chǎn)生影響。

Williams等［23］研究發(fā)現(xiàn)，高山生態(tài)系統(tǒng)中每年的濕沉降量中有90%氮素貯藏于季節(jié)性雪被中，而其中80%的氮素將隨著春季前的雪融水以富離子脈沖的形式釋放出來(lái)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因，是由于雪在融化前必須經(jīng)歷1個(gè)雪變形的過(guò)程，即從干雪向濕雪的轉(zhuǎn)變。而在這個(gè)過(guò)程中，高度濃縮的溶質(zhì)將以分散的液態(tài)小水滴形式存在于雪顆粒的邊界層中，或者以類似液態(tài)膜的形式存在于顆粒表面，這些液態(tài)水中含有大量的溶質(zhì)，其濃度比原來(lái)的冰晶至少大出1個(gè)數(shù)量級(jí)［22］。然而，植物在冬季和春季過(guò)渡時(shí)期并未開(kāi)始對(duì)氮素進(jìn)行吸收利用，而此時(shí)頻繁的凍融交替事件和土壤微生物的選擇性吸收，使得大量的土壤硝態(tài)氮隨冰雪融水流失［10，23］。

2.2 微生物活動(dòng)對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)的影響 除了大氣氮沉降外，微生物（固定細(xì)菌）的直接固定，微生物對(duì)植物凋落物的分解過(guò)程，微生物的代謝產(chǎn)物及其死亡殘?bào)w的分解均為土壤氮素的重要來(lái)源。高山生態(tài)系統(tǒng)土壤可溶性氮素在生長(zhǎng)季末期由于植物和微生物的生長(zhǎng)而被耗盡。進(jìn)入非生長(zhǎng)季，大量新鮮植物凋落物的投入將對(duì)土壤微生物的活動(dòng)提供豐富的碳氮底物，從而有利于土壤微生物對(duì)氮素的礦化作用。因此，高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物在夏季表現(xiàn)出對(duì)氮素的固持［24］，而在冬季則表現(xiàn)出對(duì)氮素的礦化［25］。

傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，在北極和高海拔地區(qū)的寒冷季節(jié)由于空氣和土壤溫度均長(zhǎng)期低于0℃，此時(shí)土壤微生物處于休眠或者其活性非常低的狀態(tài)。但越來(lái)越多的研究表明，在具有季節(jié)性雪被覆蓋的高山生態(tài)系統(tǒng)中，冬季土壤呼吸是不容忽視的。Jones［26］通過(guò)連續(xù)10年的研究結(jié)果表明，冬季土壤呼吸量可占全年總土壤呼吸量的14%～30%。此外，在許多不同地區(qū)不同類型的高山生態(tài)系統(tǒng)的研究中，也發(fā)現(xiàn)冬季土壤呼吸占到全年總土壤呼吸的10%～50%［25］。而且，在北極地區(qū)冬季土壤養(yǎng)分的凈礦化速率甚至比夏季還高［27］，這在很大程度上與土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)和功能的季節(jié)差異有關(guān)［12，27］。Brooks等［10］研究發(fā)現(xiàn)一定厚度的雪被可使土壤溫度維持在-5℃左右，此時(shí)土壤微生物仍可保持生理活性［9］，并觀測(cè)到了CO2的釋放。

此外，土壤微生物具有世代周期短，C:N值低等特點(diǎn)，需要不斷吸收土壤中氮素養(yǎng)分以保證其基本的生命活動(dòng)。所以，微生物活體自身就是土壤中1個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)氮庫(kù)［28］。同時(shí)，一些具有特定生理功能的微生物，例如氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌以及固氮細(xì)菌等，它們的生命活動(dòng)對(duì)不同形態(tài)的土壤氮素轉(zhuǎn)化和循環(huán)過(guò)程具有十分重要的作用［29］。Bowman［8］的研究結(jié)果表明，在美國(guó)弗蘭特山脈地區(qū)，土壤可溶性有機(jī)氮的含量在冬季穩(wěn)定性雪被覆蓋下，表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，這為早春植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了必要的養(yǎng)分準(zhǔn)備。然而，進(jìn)入冬季和春季的過(guò)渡階段，凍融交替事件發(fā)生頻率增加，這將對(duì)土壤氮素產(chǎn)生顯著影響。首先，凍融交替過(guò)程將改變土壤微生物的菌群類型和功能，從而使得土壤N2O排放增加。土壤解凍將導(dǎo)致土壤解凍期間的反硝化作用加強(qiáng)，從而產(chǎn)生大量。

2.3 植物生長(zhǎng)對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)的影響 高山生態(tài)系統(tǒng)1個(gè)很重要的特征是生長(zhǎng)季節(jié)十分短暫，一般從每年4月底5月初到10底。在這短暫的5個(gè)月左右的生長(zhǎng)季中，高山植物完成其生活史需要吸收利用生態(tài)系統(tǒng)中大量的氮素養(yǎng)分，這勢(shì)必導(dǎo)致高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素在生長(zhǎng)季末期十分匱乏［1］。植物作為生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的重要組成部分，在氮素循環(huán)過(guò)程中起著重要作用，它通過(guò)吸收土壤中的氮素養(yǎng)分構(gòu)成自身的組織器官，到生長(zhǎng)季末期通過(guò)凋落物的形式將氮素歸還土壤。因此，植物對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收速率和利用效率及其自身凋落物質(zhì)量等對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)過(guò)程均存在著十分重要的影響［18］。

植物生長(zhǎng)與土壤微生物之間的相互作用也在很大程度上影響著氮素循環(huán)。在生長(zhǎng)季，高山植物與土壤微生物之間共同競(jìng)爭(zhēng)著有限的土壤氮素養(yǎng)分。同時(shí)，大量新鮮凋落物的投入，將促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)。通常情況下，土壤微生物生長(zhǎng)受限于土壤中的碳庫(kù)［31］，而植物根系分泌物及根的更新是土壤微生物重要的碳源［32］。因此，植物提供的碳的數(shù)量與質(zhì)量將決定著土壤微生物對(duì)氮素的凈礦化［33］，并影響著硝態(tài)氮產(chǎn)生的總量及其在生態(tài)系統(tǒng)中的淋溶狀況［19］。此外，高山生態(tài)系統(tǒng)中早春植物在雪融化初期便開(kāi)始快速生長(zhǎng)，這有利于將雪融化初期的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定在植物體內(nèi)，有效防止冰雪融水徑流導(dǎo)致的養(yǎng)分流失，對(duì)高山土壤營(yíng)養(yǎng)庫(kù)的穩(wěn)定起著“春壩”作用［34］。

3 結(jié)論與展望

高山環(huán)境土壤微生物在寒冷的冬季，土壤溫度低于0℃的條件下仍能保持活性，這對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)非生長(zhǎng)季土壤氮素的礦化起著重要作用，有助于冬季土壤養(yǎng)分的積累。這為維持高山生態(tài)系統(tǒng)植物的生長(zhǎng)提供了充足的養(yǎng)分保障。同時(shí)，高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成存在明顯的季節(jié)差異，表現(xiàn)為冬季土壤微生物群落以真菌占優(yōu)勢(shì)，而夏季則以細(xì)菌群落占優(yōu)勢(shì)，這種季節(jié)性的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成變化對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)有著重要影響。因此，研究土壤微生物活動(dòng)的特征及其影響因素對(duì)探究高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)及其對(duì)植物生長(zhǎng)的作用有著重要意義。

高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素動(dòng)態(tài)受大氣氮沉降、微生物活動(dòng)及植物生長(zhǎng)等多方面因素的綜合影響。在高山地區(qū)，降雪一方面是大氣氮沉降的主要來(lái)源；另一方面在高山環(huán)境中形成雪被層也將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)氮素動(dòng)態(tài)產(chǎn)生間接的影響。植物作為生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的重要組成部分，一方面通過(guò)吸收土壤中的氮素養(yǎng)分構(gòu)成自身的組織器官；另一方面則在生長(zhǎng)季末期主要通過(guò)凋落物的形式將氮素歸還土壤。此外，植物生長(zhǎng)與土壤微生物之間的相互作用也在很大程度上影響著土壤氮素循環(huán)。

在全球氣候變化的背景下，高山環(huán)境在溫度和降水等方面的變化較其他地區(qū)更加明顯，這勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有的雪被覆蓋情況、土壤微生物活動(dòng)及植物生長(zhǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物在不同溫度和降水條件影響下的結(jié)構(gòu)、組成及活性研究，有助于探究高山生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素在未來(lái)氣候變化影響下的循環(huán)特征。同時(shí)，系統(tǒng)研究土壤微生物、氮素動(dòng)態(tài)及植物生長(zhǎng)3者之間的耦合關(guān)系，將對(duì)深入了解氣候變化對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響起著重要作用。