碳輸入方式對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響*

于鴻淼，王 瑤，徐勝楠，劉 月，王思琪，張利敏

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)[1].高度復(fù)雜的土壤生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，它既可以釋放到大氣中使溫室氣體增加，也可以作為碳的潛在儲(chǔ)存地.不同區(qū)域土壤碳固定或釋放的情況不同[2].土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)歸于由植物和地下生物(包括土壤微生物)的綜合作用決定[3-5].土壤微生物能夠支配與碳循環(huán)相關(guān)的大部分生物地球化學(xué)過(guò)程[6]，并且土壤有機(jī)碳是微生物生長(zhǎng)的重要能量來(lái)源，這些微生物利用地上凋落物、地下根系分泌物和土壤有機(jī)質(zhì)等作為碳源.相反，碳源的可用性是影響微生物生長(zhǎng)和組成的重要環(huán)境因素[7-8].所以，改變碳輸入的方式必然導(dǎo)致土壤微生物結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能的變化.

該文總結(jié)了地上凋落物碳輸入和地下根源碳輸入對(duì)陸地森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物和土壤有機(jī)碳含量影響的相關(guān)研究成果，并對(duì)土壤微生物研究方法進(jìn)行了闡述，以期為通過(guò)植物殘?bào)w的添加和去除實(shí)驗(yàn)方式調(diào)節(jié)土壤碳輸入方面的研究提供一定的參考.

1 碳與土壤細(xì)菌群落的關(guān)系及分析方法

全球變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生了巨大影響，從而改變了地上和地下凋落物對(duì)土壤的碳輸入[9].植物碳輸入是供給碳庫(kù)的主要組成部分之一，分別以地上的植物凋落物和地下根系輸送的方式進(jìn)入土壤.但是對(duì)于植物源的碳如何增強(qiáng)微生物儲(chǔ)存有機(jī)碳或加速分解有機(jī)碳的問(wèn)題仍不清楚[3].

DIRT實(shí)驗(yàn)最初于1957年在美國(guó)開(kāi)始，土壤實(shí)驗(yàn)是在溫帶森林上長(zhǎng)期改變地上凋落物和地下根系.處理包括：對(duì)照處理(正常進(jìn)行地上和地下的碳輸入)，雙倍凋落物處理，去除凋落物，去除根系，同時(shí)去除根系和凋落物.被認(rèn)為是探索植物殘?bào)w輸入質(zhì)量和數(shù)量的變化如何影響有機(jī)質(zhì)組成和含量以及區(qū)分土壤呼吸來(lái)源的有效實(shí)驗(yàn)手段[10]，還被用來(lái)研究植物碳輸入方式與土壤生物群落之間的反饋?zhàn)饔肹11-12].

越來(lái)越多的研究表明土壤微生物對(duì)土壤儲(chǔ)存碳起著關(guān)鍵作用[13-15]，這是因?yàn)橥寥乐蟹€(wěn)定的有機(jī)質(zhì)很可能來(lái)源于土壤微生物[16-17]，而來(lái)源于土壤微生物的有機(jī)質(zhì)的量與土壤的同化與礦化有關(guān)[18-19]，即微生物利用效率，這可能取決于微生物的群落結(jié)構(gòu)、組成或有機(jī)質(zhì)質(zhì)量[20-21].由于不同的微生物種群在基質(zhì)偏好和營(yíng)養(yǎng)獲取策略方面存在差異[22]，地上凋落物和根系釋放的不穩(wěn)定有機(jī)物可能會(huì)刺激R選擇的細(xì)菌(喜食新鮮有機(jī)質(zhì)和較高營(yíng)養(yǎng)成分物質(zhì))增加，而控制碳輸入可能會(huì)使進(jìn)行K選擇的寡營(yíng)養(yǎng)[23]細(xì)菌(能降解穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)且以較低營(yíng)養(yǎng)含量物質(zhì)為食)[14,20-21]，所以不同控制碳輸入處理下的細(xì)菌有不同共存模式[24]，并且可能在營(yíng)養(yǎng)群和功能上有不同的生態(tài)位[25].

在控制碳輸入的研究中，常見(jiàn)的微生物群落的檢測(cè)方法主要是磷脂脂肪酸法(PLFA)，少部分研究用高通量測(cè)序的方法.PLFA方法僅能檢測(cè)到功能上豐富的活微生物物種的豐度且精度低，而無(wú)法捕獲更全面系統(tǒng)的信息來(lái)分析完整的群落結(jié)構(gòu)，這極大的限制了土壤微生物的研究.但高通量測(cè)序技術(shù)克服了這些不足，但也存在著一些局限性.

以下是分析土壤微生物組成和結(jié)構(gòu)的常用研究方法.首先，通常評(píng)價(jià)微生物群落整體多樣性變化，常用指標(biāo)有Simpson多樣性指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)等；然后用非度量多維標(biāo)度(NMDs)和主坐標(biāo)分析(PCoA)基于Bray-Curitis和Jaccard距離的來(lái)評(píng)價(jià)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異.但是僅對(duì)微生物的多樣性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，還不足以說(shuō)明土壤微生物和植物碳輸入復(fù)雜的機(jī)制和過(guò)程，也無(wú)法深入探討植物碳輸入對(duì)土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)功能的影響.

隨著基因組生物學(xué)的逐漸發(fā)展，目前對(duì)微生物的研究不僅研究其組成和結(jié)構(gòu)，而且對(duì)微生物相互作用的研究越來(lái)越重視.一般是收集大量生物信息數(shù)據(jù)后，推斷其特征共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)(feature co-expression network).網(wǎng)絡(luò)分析的方法逐漸用于探索不同環(huán)境中微生物類(lèi)群之間的相互作用，其中基于相關(guān)關(guān)系的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用最為廣泛[26].盡管具體方法有所不同，但所有的網(wǎng)絡(luò)都是基于可變環(huán)境條件下，不同特征(例如物種、轉(zhuǎn)錄體、蛋白質(zhì)以及代謝產(chǎn)物)之間的成對(duì)關(guān)聯(lián)性，其關(guān)聯(lián)性可以通過(guò)表達(dá)與豐度上的相似度計(jì)算.這些網(wǎng)絡(luò)能夠揭示系統(tǒng)特性，例如這些特征(例如物種、轉(zhuǎn)錄體、蛋白質(zhì)以及代謝產(chǎn)物)如何通過(guò)豐度與表達(dá)相互關(guān)聯(lián)，主要調(diào)控哪些功能，哪些特征起關(guān)鍵作用等[3].共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析還可以用于揭示物種間共生模式，還有助于識(shí)別群落的關(guān)鍵物種，微生物之間共享的生理機(jī)制或生態(tài)位等[27].共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中以節(jié)點(diǎn)(nodes)表示微生物物種，并確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心性(centrality)，其中節(jié)點(diǎn)中心性通常以連接度(degree，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)共享的邊數(shù))或中介性(betweenness，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)連接其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要性)來(lái)估算[28].中心性高的節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與土壤功能擴(kuò)展具有重要影響，通?？梢暈殛P(guān)鍵節(jié)點(diǎn).這種分析目前已成功應(yīng)用于土壤微生物組網(wǎng)絡(luò)分析[29-30].目前在微生物種群豐度的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可以觀(guān)測(cè)到不同因素偏好引起的種間相互作用關(guān)系.因此，通過(guò)這項(xiàng)新興方法還有助于確定群落的抗逆性[31].以往的研究表明弱相互作用的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)比強(qiáng)相互作用的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定[32-34]，模塊化和負(fù)鏈接的存在增加了網(wǎng)絡(luò)在擾動(dòng)下的穩(wěn)定性[35-36].群落中相互作用均為正鏈接的網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是不穩(wěn)定的，這種群落中的菌屬可能會(huì)隨環(huán)境波動(dòng)共同做出相似的反應(yīng)，負(fù)鏈接的存在可以穩(wěn)定群落共同波動(dòng)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定[35].

2 不同的碳添加與去除方法試驗(yàn)對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響

凋落物是土壤有機(jī)碳地上部分的主要來(lái)源，在凋落物分解有機(jī)層(OA層)被微生物分解，通過(guò)凋落物滲濾液到達(dá)礦質(zhì)土壤[37]，其數(shù)量增減可以改變土壤中有機(jī)碳的數(shù)量，同時(shí)還會(huì)引起土壤溶液組成與化學(xué)性質(zhì)的變化，并刺激土壤生物活性[11,38,39].以往研究表明，清除地上凋落物總體上可以降低土壤有機(jī)碳(SOC)含量[40-41]，但在不同區(qū)域清除或添加凋落物對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響不同.例如，在熱帶雨林原始森林中，清除地面凋落物2年后SOC含量降低23%；翻倍添加2年凋落物使有機(jī)碳含量提高了31%[41].而在溫帶森林[40]和亞熱帶天然森林[42]中，清除地面凋落物后SOC含量降低；在翻倍凋落物添加處理中并沒(méi)有總是增加有機(jī)碳，有時(shí)甚至?xí)档陀袡C(jī)碳含量[43-44].溫度和降雨是影響凋落物分解和凋落物中新鮮DOC進(jìn)入土壤的重要因素[45]，這些研究結(jié)果的不同可能是因?yàn)闊釒值臍夂蚋鼫嘏鼭駶?rùn).植物凋落物的添加可以同時(shí)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和形成[46]，最終對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生影響[47].盡管已有很多關(guān)于土壤有機(jī)碳動(dòng)力學(xué)的研究[41,48-49]，但是對(duì)機(jī)制的理解仍然有限.

土壤微生物通過(guò)關(guān)鍵生化過(guò)程在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，土壤微生物的組成和功能會(huì)對(duì)凋落物輸入的變化做出快速反應(yīng)[12,50].不同區(qū)域之間的森林在林地屬性、凋落物量等的動(dòng)態(tài)差異可能使其有機(jī)碳濃度不同[51]，從而使不同森林對(duì)地上凋落物處理的響應(yīng)存在差異.在熱帶雨林地區(qū)，添加凋落物減少了假定寡營(yíng)養(yǎng)土壤細(xì)菌的豐度(能降解穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)且以較低營(yíng)養(yǎng)含量物質(zhì)為食)，但增加了假定的同營(yíng)養(yǎng)土壤細(xì)菌(喜食新鮮有機(jī)質(zhì)和較高營(yíng)養(yǎng)成分物質(zhì))的豐度[52].在Cleveland的研究中也報(bào)告了相似的結(jié)果，碳添加會(huì)使假定同營(yíng)養(yǎng)菌豐度增加.而在溫帶落葉林[53]和營(yíng)養(yǎng)不良的溫帶松林[50]中，添加地上凋落物與對(duì)照組之間的微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)沒(méi)有差異.在天然亞熱帶森林中，去除上凋落物使革蘭氏陽(yáng)性菌的生物量降低30%[52].

根系的生長(zhǎng)和更替在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起主導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)中的碳累計(jì)率也有重要影響.同時(shí)越來(lái)越多的研究表明，地下根源碳輸入是土壤有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)源[5,25,54-55]，并且根源C輸入對(duì)亞熱帶天然林土壤C濃度和微生物群落結(jié)構(gòu)的控制作用強(qiáng)于地上凋落物[42].這些研究均表明，植物根系在森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存中起著重要的作用[11,54].Sokol等人通過(guò)微生物形成途徑證明了地下輸入的穩(wěn)定碳比地上輸入的更有效，他認(rèn)為一方面是因?yàn)楦滴⑸锶郝浔韧寥牢⑸锶郝湫纬尚矢?，所以地上和地下碳輸入相?duì)貢獻(xiàn)的大小很大程度上取決于根際與土壤體積的比值[56].其次，根系與礦質(zhì)土壤直接接觸，使得根源碳在土壤中平均停留時(shí)間更長(zhǎng)[54]，根際微生物密度更大，多樣性更高；而落葉只能通過(guò)生物擾動(dòng)和淋溶等方式從土壤表面遷移.再次，根系通過(guò)細(xì)根和菌根菌絲釋放有機(jī)質(zhì)，吸附土壤顆粒，提高土壤團(tuán)聚性[57-58]；而土壤團(tuán)聚性的提高可以形成穩(wěn)定團(tuán)聚體，從而為有機(jī)碳提供物理保護(hù).團(tuán)聚體的物理保護(hù)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)儲(chǔ)存有機(jī)碳的指標(biāo)[59-60].這些為根系在碳儲(chǔ)存中發(fā)揮關(guān)鍵作用提供了強(qiáng)有力的支持.也有研究發(fā)現(xiàn)，去除地上凋落物處理的土壤碳損失程度大于去除根系處理[40-41].以上說(shuō)明地上凋落物碳輸入和地下根源碳輸入在不同生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)土壤碳的控制作用有所不同.

地下植物根系是以根系沉積的形式向土壤中釋放有機(jī)化合物(脫落的根系細(xì)胞和根系分泌物)[61]，從而來(lái)刺激根系微生物的生長(zhǎng)和活性[3]，這些有機(jī)化合物是微生物的能量來(lái)源[37].在以往研究中顯示，在俄勒岡州溫帶森林的研究中報(bào)道，去除根系增加了土壤放線(xiàn)菌生物量，及減少了真菌生物量[12].在亞熱帶杉木人工林中去除根系也增加了放線(xiàn)菌的生物量，但細(xì)菌和真菌的生物量隨之增加，革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽(yáng)性菌的比例和細(xì)菌與真菌的比例降低[53].在哈佛溫帶森林中真菌和放線(xiàn)菌的豐度也在去除根系處理中增加[62].但在中國(guó)亞熱帶的針葉林生態(tài)系統(tǒng)中，去除根系降低了真菌的生物量，并且該研究發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體的比例與真菌的生物量密切相關(guān)，說(shuō)明去根處理可能是通過(guò)降低更大團(tuán)聚體的比例及其碳含量來(lái)降低有機(jī)碳含量[55].眾所周知，微生物可以影響土壤中的關(guān)鍵碳轉(zhuǎn)化[63]，但我們對(duì)于地下碳輸入如何影響微生物群落結(jié)構(gòu)的了解有限[42].

3 結(jié)論及展望

地上和地下碳輸入主要由植物凋落物和根系控制，在森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，國(guó)內(nèi)外的研究人員在DIRT試驗(yàn)研究中，針對(duì)土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物群落對(duì)改變碳輸入方式的響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并且對(duì)比了地上碳輸入與地下碳輸入對(duì)其有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性、微生物組成變化的顯著程度，對(duì)其認(rèn)識(shí)日益清晰.綜述結(jié)果表明，在濕度和溫度大的地區(qū)(熱帶雨林)添加和去除凋落物會(huì)使土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；根系的去除會(huì)使土壤微生物的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且植物根源C輸入對(duì)土壤C濃度和微生物群落結(jié)構(gòu)的控制作用強(qiáng)于地上凋落物C輸入.由于土壤微生物能夠支配與碳循環(huán)相關(guān)的大部分生物地球化學(xué)過(guò)程[6]，對(duì)不同碳輸入方式下土壤微生物群落變化機(jī)制的進(jìn)一步研究尤為重要.所以，基于目前的研究進(jìn)展，未來(lái)的研究將集中在以下幾個(gè)方面.

(1)以往DIRT對(duì)土壤微生物影響的研究多是基于磷脂脂肪酸方法(PLFA)[24]，這種方法僅能檢測(cè)到功能上豐富的活微生物物種的豐度且精度低，而無(wú)法捕獲更全面系統(tǒng)的信息來(lái)分析完整的群落結(jié)構(gòu).隨著微生物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使用新技術(shù)更能夠直觀(guān)闡明碳輸入變化對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響.例如：高通量測(cè)序，此技術(shù)可以通過(guò)基因序列來(lái)深入分析復(fù)雜的微生物群落，了解在不同碳輸入條件下的微生物群落組成、結(jié)構(gòu)及多樣性.

(2)需要加強(qiáng)不同區(qū)域土壤微生物與植物的關(guān)系及普遍規(guī)律的研究.

(3)目前該實(shí)驗(yàn)多數(shù)為野外自然環(huán)境條件下的監(jiān)測(cè)和研究模擬，缺乏實(shí)驗(yàn)室內(nèi)控制條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和模擬，因此加強(qiáng)野外實(shí)驗(yàn)室控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于更全面的了解土壤微生物對(duì)不同碳輸入方式的響應(yīng)機(jī)制.