干旱對土壤微生物的影響及其與碳動態(tài)的關(guān)系

黎 雪，張坐省，黨占平，王 燦

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

20世紀(jì)以來，干旱面積擴(kuò)大，湖泊和河流水位下降，部分干涸和斷流，以及全球溫度升高。這一系列的變化對陸地態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生極大影響[1-3]。但是，由于碳循環(huán)涉及許多復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)過程，例如，植物光合作用、微生物分解、胞外酶代謝[4-6]，使得干旱下土壤碳變化的機(jī)理研究存在很大的不確定性，這對認(rèn)識陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

土壤微生物是陸地碳循環(huán)的調(diào)節(jié)者[7]，因此，了解干旱刺激下的微生物代謝變化對認(rèn)識陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)—?dú)夂蚍答伨哂兄匾闹笇?dǎo)意義[4，8]。截至目前，由于地域等的差異，使得對認(rèn)識干旱下微生物的變化以及對碳的響應(yīng)存在很大的爭議，阻礙了對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)理的認(rèn)識[4，9-10]。另外，土壤微生物對干旱的反應(yīng)取決于土壤養(yǎng)分條件、土壤溫度、土壤水分以及植物生產(chǎn)力等因素[9-11]。因此，干旱的強(qiáng)度和頻率對土壤微生物的影響及對土壤動力學(xué)的影響在個別研究之間存在很大差異，使研究者對不同干旱強(qiáng)度下土壤碳動力學(xué)與土壤微生物之間相互作用的機(jī)制缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。

本研究采用整合分析方法，在全球尺度上，定量分析了不同干旱水平、不同干旱時間以及不同植被類型下土壤微生物群落的變化特征及其與碳的關(guān)系，其目的是為了揭示土壤微生物對干旱的反應(yīng)及其對土壤碳動力學(xué)的影響。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)從中國知網(wǎng)和Web of Science數(shù)據(jù)庫，收集篩選了2016年12月份以前發(fā)表的研究論文。為減少篩選文獻(xiàn)帶來的偏差，本研究用下面的關(guān)鍵詞和組合詞來進(jìn)行檢索：處理是“干旱”或“水分脅迫”或“降雨減少”；指標(biāo)是“細(xì)菌”或“真菌”或“微生物”。在篩選文章的時候，注意以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）所有結(jié)果均來自野外試驗(yàn)；（2）在收集數(shù)據(jù)的時候，文章數(shù)據(jù)源需要包含標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和試驗(yàn)重復(fù)數(shù)（n），如果文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），標(biāo)準(zhǔn)差（SD）可通過以下公式計(jì)算。

（3）在搜集文章的時候，文章要有明確的干旱強(qiáng)度、干旱時間以及植被類型描述；（4）如果在同一篇文章中報(bào)告了一次以上的干旱試驗(yàn)，但是具有不同的環(huán)境變量（例如，在不同的地理位置或微氣候條件下進(jìn)行的干旱處理），則被認(rèn)為是獨(dú)立的研究。

1.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)1.1的標(biāo)準(zhǔn)，本研究總共選擇了54篇已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)。對于每一篇文獻(xiàn)，記錄了微生物、真菌和細(xì)菌生物量。同時，還從選定的論文或引文中記錄了研究點(diǎn)的緯度、經(jīng)度、海拔、年平均降水量（MAP）、年平均溫度（MAT）、干旱時間、干旱強(qiáng)度。另外，還記錄了有機(jī)碳（SOC）和土壤呼吸（SR）。其中，土壤呼吸（SR）為土壤CO2排放量。在數(shù)據(jù)搜集過程中，如果數(shù)據(jù)是以圖的形式展示，則采用Get-Data Graph Digitizer 2.26軟件來獲得數(shù)據(jù)。

1.3 微生物測量

在篩選文章的時候，文章中微生物測定方法主要關(guān)注 4種：氯仿熏蒸（CF）、磷脂脂肪酸（PLFA）、平板培養(yǎng)法（Ecoplate），以及定量聚合酶鏈反應(yīng)分析（qPCR）。在分析干旱對微生物的影響時，除了上述測定方法的影響，還分析了干旱強(qiáng)度、干旱時間以及植被類型，其中，干旱強(qiáng)度包括輕度干旱（LD）（0～35%）、中度干旱（MD）（36%～70%）和重度干旱（HD）（71%～100%）；干旱時間包括短期干旱（0～30 d），適中干旱（31～365 d），長時間干旱（＞365 d）；植被類型包括喬木林、灌木林、草地以及農(nóng)田。

1.4 數(shù)據(jù)分析

整合分析方法用于確定微生物對于各種干旱的效應(yīng)值（響應(yīng)比）[6]。響應(yīng)比計(jì)算公式如下。

式中，RR為效應(yīng)值；Xt和Xc分別是處理和對照的值。這種公式計(jì)算的RR的分布通常接近正常值，偏差很小。另外，使用MetaWin軟件，得到每一對數(shù)據(jù)的效應(yīng)值（RR++），利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算權(quán)重加權(quán)平均后得到其95%的置信區(qū)間（CI），如果RR++的CI與0不重疊，說明在0.05水平上差異顯著，否則差異不顯著。為了便于理解和描述，本研究采用公式（3）計(jì)算得到某一分類組的變化百分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對土壤微生物生物量的影響

干旱對微生物的影響結(jié)果如圖1所示?？傮w來說，干旱后微生物生物量平均下降1.40%（圖1），其中，3種微生物量測量方法所得到的結(jié)果中，平板培養(yǎng)法（Ecoplate）的土壤微生物顯著提高106.31%，磷脂脂肪酸（PLFA）提高了6.43%，而氯仿熏蒸（CF）方法的微生物下降了9.93%（圖1）。另外，輕度干旱使土壤微生物顯著增加27.95%；而中度干旱和重度干旱分別下降4.11%和14.68%。干旱導(dǎo)致喬木、草地和農(nóng)田里的微生物數(shù)量減少，分別下降4.88%，5.67%和22.93%。不同干旱時間也對微生物產(chǎn)生差異響應(yīng)，長時間的干旱對土壤微生物不影響，但較短時間的干旱使土壤微生物顯著減少11.94%。

2.2 干旱對土壤細(xì)菌的影響

結(jié)果表明，細(xì)菌豐度顯著下降3.92%（圖2）。在平板培養(yǎng)法（Ecoplate）、磷脂脂肪酸（PLFA）和qPCR方法測定中，干旱使土壤細(xì)菌分別降低1.92%，10.94%和1.06%，其中，平板培養(yǎng)法測量的細(xì)菌數(shù)量顯著降低。在不同干旱強(qiáng)度下，輕度干旱、中度干旱和重度干旱分別使土壤細(xì)菌減少0.04%，5.21%和3.85%，其中，中度和重度干旱使細(xì)菌顯著降低。不同的干旱持續(xù)時間對細(xì)菌豐度影響分析表明，隨著干旱持續(xù)時間的增加，土壤細(xì)菌均顯著減少。

2.3 干旱對土壤真菌的影響

干旱對真菌的影響如圖3所示，整體而言，真菌豐度平均下降2.23%。其中，在平板培養(yǎng)法和磷脂脂肪酸（PLFA）以及qPCR方法測定中，只有qPCR方法真菌豐度顯著增加3.42%，其他方法真菌豐度均下降。對不同干旱水平而言，輕度干旱和中度干旱都使土壤真菌豐度分別增加0.67%和8.57%，而重度干旱使土壤真菌減少4.99%。同時，土壤真菌豐度在林地和農(nóng)田中分別下降0.57%，6.08%，而在灌木林和草地中分別增加2.87%，9.04%。此外，較長持續(xù)時間的干旱使土壤真菌豐度增加1.69%，短期干旱（0～30 d）使土壤真菌減少1.73%。

2.4 干旱對土壤總微生物的影響

從圖4可以看出，在平板培養(yǎng)法（Ecoplats）測量情況下，干旱使土壤總微生物顯著增加了67.70%，而通過其他方法測量則減少。在干旱強(qiáng)度響應(yīng)中，輕度干旱使土壤總微生物量增加了23.96%，而中度干旱和重度干旱使土壤總微生物分別減少3.32%和8.96%。灌木林的響應(yīng)率高于其他3種土地類型，而所有土地類型中農(nóng)田的響應(yīng)率最低。對于干旱持續(xù)時間，長期干旱（＞365 d）土壤總微生物增加了24.89%，而低于365 d的干旱，總微生物平均下降了6.02%。

2.5 干旱下土壤微生物與土壤碳的關(guān)系

為了進(jìn)一步探討干旱下微生物變化與碳的關(guān)系，本研究采用擬合分析，研究表明，微生物與土壤碳（R2＝0.053；P＝0.016）和土壤呼吸（R2＝0.382；P＜0.001）呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)（圖5）。

3 討論

3.1 干旱對土壤微生物的影響

通過整合分析，總體上，干旱使微生物生物量、真菌和細(xì)菌出現(xiàn)降低的趨勢。根據(jù)土壤微生物對不同程度干旱強(qiáng)度的反應(yīng)結(jié)果可知，輕度干旱使土壤微生物顯著增加27.95%；而中度干旱和重度干旱分別下降4.11%和14.68%。這可能是由于輕微的干旱刺激會加速微生物代謝[12]，而重度干旱的土壤條件抑制微生物的生長，并降低活性微生物組成群落的活性[1，13]。另外，根據(jù)研究結(jié)果顯示，不同植被類型對微生物數(shù)量產(chǎn)生影響，其中，除灌木外，在喬木林、草地和農(nóng)田土壤中，干旱導(dǎo)致的微生物數(shù)量分別下降4.88%，5.67%，22.93%。這與BARDGETT等[4-5，14]的研究一致，同時，相關(guān)研究結(jié)果表明，在植被方面，干旱對土壤微生物的間接影響可以大致分為2個方面[4，14]。一方面是植物生理過程對土壤微生物的影響[5，15]。干旱脅迫影響光合作用的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而限制營養(yǎng)物質(zhì)從地上到地下的流動，從而導(dǎo)致土壤微生物減少[16]。另一方面干旱導(dǎo)致植物凈初級產(chǎn)量（NPP）減少，從而使進(jìn)入土壤的枯枝落葉碳和氮的量降低，最終導(dǎo)致土壤微生物豐度下降[2，17]。本研究結(jié)果也支持了這一說法，在農(nóng)田中，由于凈生產(chǎn)力較低[18]，使干旱誘發(fā)導(dǎo)致農(nóng)田土壤微生物顯著降低[19]。另外，長時間的干旱能使土壤微生物增加，但較短時間的干旱使土壤微生物顯著減少11.94%。其原因可能是長時間的干旱使微生物對干旱環(huán)境適應(yīng)，從而使其變化不明顯。

3.2 干旱下土壤微生物和土壤碳動態(tài)的關(guān)系

本研究通過對干旱條件下土壤微生物與土壤碳（C）動力學(xué)關(guān)系進(jìn)行Meta分析，結(jié)果表明，土壤微生物與土壤碳（C）動態(tài)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明干旱可以改變土壤微生物豐度，對土壤呼吸和生態(tài)系統(tǒng)C平衡產(chǎn)生相應(yīng)的影響。而土壤呼吸對全球變化因素的反應(yīng)已經(jīng)很明確[4，20-23]，包括氣候變暖和CO2升高等因素，都直接或間接與土壤微生物相關(guān)[24]。另外，土壤微生物對干旱也有一定的作用，目前關(guān)于土壤微生物對干旱的貢獻(xiàn)的最廣泛的一個討論是它們在異養(yǎng)呼吸中的作用[4，11]，因?yàn)橥ㄟ^干旱改變土壤水分可以直接影響異養(yǎng)微生物的生長[25]，從而影響異養(yǎng)呼吸，所以，不同干旱脅迫下土壤微生物的土壤呼吸和碳發(fā)生變化。同時，DAVIDSON等[7]研究發(fā)現(xiàn)，干旱處理后溶解有機(jī)碳（DOC）增加也支持了這一解釋，指出土壤微生物的自養(yǎng)呼吸過程中的干旱誘導(dǎo)能促進(jìn)有機(jī)碳（DOC）的輸出[7，25]。此外，土壤微生物中的干旱誘導(dǎo)也可以通過對植物根系攝取和光合作用的營養(yǎng)供應(yīng)的影響來間接影響土壤碳動力學(xué)[26-27]，由于植物根系和根系相關(guān)生物（如根瘤菌、菌根真菌和共生體）之間密切聯(lián)系，干旱誘導(dǎo)可能會影響根系代謝[28-29]，并最終影響土壤自養(yǎng)呼吸[30]和碳積累[4]。因此，在干旱過程中，土壤微生物降低，從而導(dǎo)致土壤碳的變化。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，干旱對微生物的影響受干旱時間、強(qiáng)度以及植被類型的影響，尤其是隨著干旱強(qiáng)度的增加，總微生物表現(xiàn)出顯著降低的趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，在干旱情況下，土壤微生物與土壤碳的動態(tài)變化呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)。

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