土壤微生物碳素利用效率研究進(jìn)展

陳 智, 于貴瑞

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 101408

通過(guò)有效增加碳(C)固持和合理減少C排放來(lái)共同控制和減緩全球變暖是全人類應(yīng)對(duì)氣候變化達(dá)成的共識(shí)[1]。為制定有效的增匯措施,人們迫切需要準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)全球變暖與地球生態(tài)系統(tǒng)間的相互影響,尤其是陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔门c機(jī)制[2- 3]。已有大量研究指出,全球變暖會(huì)促進(jìn)土壤C釋放,對(duì)全球變暖產(chǎn)生正反饋[2,4]。但是,越來(lái)越多的研究開(kāi)始發(fā)現(xiàn),微生物在調(diào)控陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的反饋中起著重要作用,并且可能改變預(yù)期的反饋效應(yīng)[5- 7]。例如,長(zhǎng)期的增溫反而抑制微生物生物量和酶活性,從而減少對(duì)土壤有機(jī)碳的分解。微生物的生理代謝過(guò)程及其對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)成為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔玫年P(guān)鍵[5]。

土壤微生物連接著土壤圈、生物圈、大氣圈、水圈、巖石圈的物質(zhì)循環(huán),參與了土壤中幾乎所有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程[8]。土壤微生物的生長(zhǎng)直接取決于微生物的碳素利用效率(Microbial carbon use efficiency, CUE),即微生物將吸收C轉(zhuǎn)化為生物量C的效率。在大量的土壤C循環(huán)模型中,微生物CUE被設(shè)定為一個(gè)常數(shù)[9- 11]。然而,野外觀測(cè)和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并不支持這一假設(shè)。土壤微生物CUE可能隨著外界環(huán)境和養(yǎng)分條件等的變化而顯著變化。有研究指出,土壤微生物CUE隨著土壤養(yǎng)分有效性的增加而增加[12- 13],而隨著溫度的升高而降低[5,14]。但是,對(duì)于這些潛在因素的影響并沒(méi)有一致性的認(rèn)識(shí)。例如,在北美大草原的研究表明,水分脅迫抑制微生物的生長(zhǎng)和CUE[15]。然而,Herron等[16]發(fā)現(xiàn)土壤含水量的降低對(duì)土壤微生物CUE并無(wú)顯著影響。這些不同的研究結(jié)論體現(xiàn)了人們對(duì)于土壤微生物CUE變異及其影響機(jī)制認(rèn)識(shí)的不足,這制約了人們對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的反饋的準(zhǔn)確模擬與預(yù)測(cè)[17]。

本研究對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析,概述土壤微生物CUE的定義和測(cè)定方法,重點(diǎn)綜述和分析CUE的變異特征及其影響因素,并指出未來(lái)的研究重點(diǎn),以期為當(dāng)前地球系統(tǒng)模型的改進(jìn)及對(duì)未來(lái)的氣候變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 土壤微生物碳素利用率的定義

植被通過(guò)光合作用將大氣中CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì),形成生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力。絕大部分的植被生產(chǎn)力需要在分解者-土壤微生物的分解礦化作用下還原為無(wú)機(jī)養(yǎng)分,再被植被吸收利用,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的生物地球化學(xué)循環(huán)。微生物的生理代謝過(guò)程實(shí)則是同化和異化代謝相耦合的過(guò)程。微生物將植被光合產(chǎn)物一部分同化為微生物生物量,另一部分以呼吸代謝形式釋放到大氣中。此過(guò)程中,微生物將植被生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為微生物生物量的效率稱為微生物的碳素利用效率[13,18],也稱為微生物生長(zhǎng)效率或底物利用效率[19- 21]。土壤微生物CUE是土壤C循環(huán)過(guò)程中的關(guān)鍵生態(tài)學(xué)參數(shù),它直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的C素滯留時(shí)間、周轉(zhuǎn)速率以及土壤的C存儲(chǔ)能力[7,22- 23]。

在生態(tài)學(xué)研究中,微生物CUE通常表示為微生物的生長(zhǎng)(μ)與吸收(U)的比值[13,18],即CUE=μ/U。微生物從外界吸收C主要用于微生物的生長(zhǎng)(μ)、呼吸代謝(R)、胞外酶和代謝產(chǎn)物的分泌(EX)以及微生物死亡(BD)4個(gè)方面(圖1)。根據(jù)質(zhì)量守恒原理,微生物U表示為：

U=μ+R+EX+BD

其中,土壤微生物呼吸(R)包括微生物用于生長(zhǎng)(RG)、維持(RM)、胞外酶生產(chǎn)(RE)以及溢流過(guò)程(RO)中產(chǎn)生的呼吸[13],即：

R=RG+RM+RE+RO

根據(jù)CUE定義和質(zhì)量守恒方程,微生物CUE表示為：

在自然生態(tài)系統(tǒng)中,EX和BD通常難以測(cè)定,并且相對(duì)于生長(zhǎng)和呼吸量,EX和BD量很微小而常被認(rèn)為可以忽略[13]。因此,CUE通常被認(rèn)為是μ與R兩個(gè)過(guò)程的平衡關(guān)系,即,

這一定義被廣泛用于當(dāng)前的微生物代謝和土壤碳循環(huán)模型中[13,18]。

圖1 微生物生長(zhǎng)代謝組分和質(zhì)量平衡方程 Fig.1 Microbial metabolic components and equilibrium equation根據(jù)土壤微生物CUE的定義和Manzoni等[13]提出的土壤微生物代謝質(zhì)量平衡方程繪制; U, 微生物碳吸收microbial carbon uptake; μ, 微生物生長(zhǎng)microbial growth; RG, 微生物生長(zhǎng)呼吸respiration for microbial growth; RM, 微生物維持呼吸respiration for microbial maintenance; RE, 胞外酶呼吸respiration for extracellular enzyme production; RO, 溢流呼吸overflow respiration; EX, 胞外酶和代謝產(chǎn)物分泌物excretion of extracellular enzymes and metabolites; BD, 微生物死亡microbial mortality

2 土壤微生物碳素利用率的測(cè)定方法

土壤微生物CUE多采用室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)合質(zhì)量守恒法和標(biāo)記物示蹤法進(jìn)行測(cè)定。質(zhì)量守恒法是直接測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量或濃度的變化,根據(jù)物質(zhì)守恒原理計(jì)算CUE。標(biāo)記物示蹤法則是通過(guò)標(biāo)記底物,有效追蹤底物的利用路徑,計(jì)算底物被用于生長(zhǎng)和呼吸的比例進(jìn)行測(cè)定,是目前較為廣泛采用的方法。根據(jù)研究途徑、研究對(duì)象(微生物或底物)的不同,現(xiàn)有分析方法可大致分為基于微生物生長(zhǎng)速率測(cè)定法、基于微生物生物量測(cè)定法、基于底物吸收速率測(cè)定法和基于底物濃度變化測(cè)定法。這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍(表1)。

2.1 生長(zhǎng)速率法

生長(zhǎng)速率法是最早的測(cè)定方法之一,它通過(guò)直接測(cè)定微生物的生物合成速率和呼吸速率計(jì)算微生物CUE。以3H-thymidine、3H-leucine等作為標(biāo)記底物,通過(guò)短時(shí)間的培養(yǎng),在三氯乙酸的消解作用下分離出合成的核酸或蛋白質(zhì),結(jié)合放射性同位素分析,測(cè)定微生物將3H-thymidine合成為DNA或?qū)?H-leucine合成為蛋白質(zhì)的速率[24-26]。該方法直接準(zhǔn)確,主要用于水生生態(tài)系統(tǒng)。在陸地土壤中,采用以18O標(biāo)記的重水H218O進(jìn)行培養(yǎng),測(cè)定微生物從水中吸收18O合成DNA的量,結(jié)合微生物DNA和生物量C的轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算土壤微生物CUE。該方法可以直接測(cè)定微生物的生物合成速率,但主要用于短時(shí)期培養(yǎng)[27-28]。

2.2 生物量法

在陸地生態(tài)系統(tǒng),例如土壤中,通?；谖⑸锷锪康淖兓?jì)算CUE。添加標(biāo)記的活性有機(jī)碳作為底物進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng),結(jié)合氯仿熏蒸法測(cè)定微生物生物量的變化。該方法簡(jiǎn)單,可操作性強(qiáng),是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)方法。但是,由于在較短時(shí)期內(nèi)難以捕捉微生物群落的生長(zhǎng)及維持呼吸,該方法在短期內(nèi)所測(cè)定的活性標(biāo)記物轉(zhuǎn)化為生物量的速率并不完全等同于微生物的生長(zhǎng)速率,而更多的是群落的吸收速率,因此存在高估CUE的現(xiàn)象[29- 31]。

2.3 底物吸收速率法

底物吸收速率法是從觀測(cè)底物變化的角度測(cè)定CUE。將3H-thymidine、3H-leucine等作為標(biāo)記底物,進(jìn)行短期室內(nèi)培養(yǎng)測(cè)定其被吸收利用的速率。該方法相對(duì)于微生物生物量測(cè)定法,考慮了微生物產(chǎn)物的損失。但是,底物的吸收速率通常難以準(zhǔn)確測(cè)定,只適用于短期的室內(nèi)培養(yǎng)分析。

2.4 底物濃度變化法

與底物吸收速率法相似,底物濃度變化法也是從底物變化的角度測(cè)定CUE。該方法通過(guò)添加高濃度的底物(葡萄糖, 醋酸等),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的室內(nèi)培養(yǎng),階段性的測(cè)定底物濃度的變化,結(jié)合同期的呼吸量計(jì)算CUE。該方法通常不需要對(duì)底物進(jìn)行同位素標(biāo)記,但需要提供高濃度的底物介質(zhì)。由于該方法需要一定長(zhǎng)度的培養(yǎng)時(shí)間,因此考慮了微生物產(chǎn)物的代謝和分泌過(guò)程。

表1 微生物碳素利用率測(cè)定和計(jì)算方法比較

CUE, 碳素利用率carbon use efficiency;μ, 微生物生長(zhǎng)速率microbial growth rate;R, 微生物總呼吸速率microbial total respiration rate;U, 底物吸收速率substrate uptake rate;ΔCB, 微生物生物量變化量microbial biomass change;ΔCS, 底物濃度變化量substrate concentration change;RCUM, 累積呼吸速率cumulative respiration rate;AE, 元素(E)的吸收效率assimilation efficiency of element E;BC∶E, 微生物生物量的C∶E比the C∶E ratio of microbial biomass; TERC:E, 微生物最優(yōu)生長(zhǎng)所需C∶E比閾值threshold of C:E ratio required for microbial optimum growth

2.5 化學(xué)計(jì)量比法

基于化學(xué)計(jì)量比法是一種不需要直接測(cè)定CUE而根據(jù)元素化學(xué)計(jì)量限制理論計(jì)算CUE的方法,被廣泛用于土壤和凋落物分解模型中[18,32]。根據(jù)化學(xué)計(jì)量平衡理論,當(dāng)外源養(yǎng)分中的必需元素(如N,P)與C素的比例低于微生物最優(yōu)生長(zhǎng)所需N/P:C元素比閾值時(shí),微生物的生長(zhǎng)將會(huì)受到該元素有效性的制約。CUE與養(yǎng)分的元素計(jì)量比存在一階函數(shù)關(guān)系,表示為CUE=AE×BC:E/TERC:E。其中,AE表示必需元素(E)的吸收效率,BC∶E表示微生物生物量的C∶E 比,TERC:E表示微生物最優(yōu)生長(zhǎng)所需C∶E比閾值[33- 35]。該方法具有理論基礎(chǔ),不需要實(shí)驗(yàn)測(cè)定,可參數(shù)化和模擬,但是是一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,主要用于土壤碳循環(huán)過(guò)程模型的模擬中。

3 土壤微生物碳素利用率的變異性

圖2 微生物碳素利用率CUE與C:N比閾值TERC:N和氮素吸收率AN的關(guān)系Fig.2 Relationships between microbial carbon use efficiency and threshold of C:N and nitrogen uptake efficiency根據(jù)生物化學(xué)元素計(jì)量平衡理論繪制,參見(jiàn)Sinsabaugh等[29]

在自然生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物CUE并非常數(shù)。在理想狀態(tài)下,微生物只進(jìn)行有機(jī)物同化并完全同化底物,那么碳素利用率為1。但是微生物的生長(zhǎng)始終伴隨著呼吸代謝消耗,在熱力學(xué)限制下,微生物的最大CUE(CUEmax)小于1[38- 40]。微生物的實(shí)際生長(zhǎng)受自身化學(xué)計(jì)量平衡的調(diào)控,表現(xiàn)為CUE隨著必需元素(E)的吸收效率、微生物的C∶E比和最優(yōu)生長(zhǎng)C∶E比閾值的變化而變化(圖2)。當(dāng)?shù)匚招蔄N=1,土壤微生物CUE在C:N比閾值TERC:N為15時(shí)可接近于最大CUE(CUEmax≈0.6)；隨著TERC:N增加到30,土壤微生物CUE則降到CUEmax的1/2(CUEmax/2≈0.3)(圖2)。在實(shí)際土壤環(huán)境中,AN通常小于1,因此微生物實(shí)際CUE難以達(dá)到CUEmax。從ATP生成、電子傳遞和能量轉(zhuǎn)化3個(gè)不同途徑測(cè)定的結(jié)果表明,受到熱力學(xué)限制,微生物的實(shí)際最大CUE約為0.6[38- 39]。Sinsabaugh等[29]的研究指出,在考慮了微生物維持代謝消耗之后,熱力學(xué)最大CUE約為0.55。

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整合結(jié)果表明,土壤微生物CUE可在0.2—0.8的范圍內(nèi)變化。Sinsabaugh等[41]通過(guò)建立的生態(tài)酶活性、生物量組成和養(yǎng)分濃度的化學(xué)計(jì)量模型,結(jié)合全球生態(tài)酶活性數(shù)據(jù)得出土壤微生物CUE平均約為0.29,接近于CUEmax/2?；贑:N元素化學(xué)計(jì)量平衡方程估算的結(jié)果也得出,土壤微生物CUE平均約為0.27±0.11,與基于C:P元素計(jì)量方程的估算結(jié)果相近(0.25±0.12)[18]。但是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示,不同土壤層的微生物CUE存在差異。例如,礦物層微生物CUE(0.284±0.005)高于有機(jī)層微生物CUE(0.205±0.008)[42]。不同微生物種群也表現(xiàn)出不同的CUE。Sinsabaugh等[43]基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整合分析得出,細(xì)菌的CUE約為0.336±0.213,高于真菌的CUE(0.326±0.196)。土壤微生物CUE還因植被類型的不同而不同。Takriti等[44]對(duì)西伯利亞植被樣帶的調(diào)查研究表明,土壤微生物CUE從草甸草原向泰加林、苔原逐漸降低。

在當(dāng)前大量的生物地球化學(xué)循環(huán)模型中,土壤微生物CUE則通常被設(shè)定成一個(gè)參數(shù),集中在0.25—0.6的范圍(表2)。在不同的生物地球化學(xué)模型中,因考慮不同底物組成等影響,CUE參數(shù)值存在差異。例如CENTURY模型,地下和地上有機(jī)質(zhì)的分解采用不同土壤微生物CUE,分別為0.45和0.55[9]。而Daisy、NCSOIL、ICBM等模型則考慮碳庫(kù)活性的影響,對(duì)于活性碳庫(kù),CUE為0.6,而對(duì)惰性碳庫(kù)的CUE小于0.6[10- 11,45](表2)。但是,Manzoni等[32]指出,實(shí)測(cè)的土壤微生物CUE結(jié)果往往低于模型的預(yù)設(shè)值,當(dāng)前的模型在一定上低估了真實(shí)的異氧呼吸通量。

4 土壤微生物碳素利用率的影響因素

土壤微生物CUE受到來(lái)自熱力學(xué)、生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的調(diào)控,包括溫度、水分等環(huán)境因子、土壤質(zhì)地、底物和養(yǎng)分有效性、微生物群落組成等多種因素的影響。

4.1 熱力學(xué)限制

微生物的碳吸收過(guò)程是同化和異化的耦合過(guò)程,微生物在轉(zhuǎn)化植被光合產(chǎn)物為自身生物量的同時(shí),時(shí)刻伴隨著自身呼吸的代謝消耗。在熱力學(xué)限制下,微生物的理論最大CUE約為0.8[40]。這表明,不超過(guò)80%的吸收有機(jī)C可被微生物用于自身生長(zhǎng),而至少20%的C需要用于維持呼吸的能量消耗。然而,實(shí)際的土壤微生物CUE難以達(dá)到理論的最大值,因?yàn)樵谏砗蜕鷳B(tài)環(huán)境因子的制約下,微生物還需投入更多的能量到呼吸和養(yǎng)分吸收等過(guò)程。

4.2 生態(tài)環(huán)境因子限制

環(huán)境因子,例如溫度、濕度、降水、土壤水分,會(huì)影響微生物代謝,改變?chǔ)毯蚏間的平衡關(guān)系,從而影響CUE[5,13]。大量研究表明,土壤微生物CUE對(duì)增溫呈現(xiàn)負(fù)反饋,CUE隨著溫度的升高而降低[5,13- 14,53- 54]。這是因?yàn)樵跍囟鹊恼{(diào)控下,微生物的生長(zhǎng)和代謝速率均隨著溫度的升高以Arrhenius方程的形式增加[55- 57]。然而,微生物呼吸代謝的溫度敏感性高于生長(zhǎng)響應(yīng)[55],微生物呼吸的增加速度快于微生物生長(zhǎng),使得CUE降低[5,54,58]。Steinweg等[59]的研究指出,溫度每升高1℃,土壤微生物CUE約減少0.009。高溫脅迫下微生物CUE的負(fù)反饋效應(yīng)更為顯著[53]。模擬結(jié)果表明,30年的連續(xù)增溫降低了吸收C被用于微生物生長(zhǎng)的比例,CUE從0.31減少到0.23[5]。但是,也有研究指出,溫度的升高,土壤微生物CUE并未發(fā)生顯著變化[37,60]。土壤微生物CUE對(duì)溫度的響應(yīng)方式受底物的組成和代謝階段的影響。?quist等[61]的研究指出,單分子結(jié)構(gòu)底物供給下的土壤微生物CUE隨著溫度的升高而降低,而多聚體結(jié)構(gòu)底物下的土壤微生物CUE則不隨溫度的升高而改變。一些研究還指出,長(zhǎng)期的增溫將會(huì)使微生物產(chǎn)生適應(yīng)性。長(zhǎng)期增溫下微生物將降低其基礎(chǔ)呼吸速率[62]。在哈佛森林開(kāi)展的連續(xù)增溫實(shí)驗(yàn)表明,18年的5℃增溫使得土壤微生物CUE隨溫度升高而降低的程度要低于連續(xù)2年的增溫效應(yīng)[6]。由于微生物的熱適應(yīng)性與微生物群落組成改變、養(yǎng)分有效性降低、微生物代謝途徑的轉(zhuǎn)變等有關(guān),同時(shí)也受底物和觀測(cè)方法的影響,微生物對(duì)溫度的響應(yīng)及其機(jī)理仍存在很多不確定性。

表2 微生物碳素利用率的變異性

土壤濕度和水分有效性是影響微生物生長(zhǎng)和呼吸過(guò)程,進(jìn)而影響CUE的另一重要環(huán)境因子[15]。與溫度的影響相似,土壤水分有效性對(duì)CUE的影響復(fù)雜而多變,受到土壤水分脅迫強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)以及土壤類型的影響。研究表明,在短期的水分脅迫下,土壤水勢(shì)的降低會(huì)激發(fā)微生物對(duì)水分脅迫的響應(yīng),促進(jìn)微生物通過(guò)增加滲透壓調(diào)控或采用短期休眠來(lái)減少干旱的影響,使得土壤微生物CUE增加[16,63]。然而,長(zhǎng)時(shí)間的水分脅迫會(huì)降低土壤底物的溶解性和吸收性,從而抑制微生物的生長(zhǎng)[13,64]。同時(shí),長(zhǎng)期的水分脅迫還會(huì)增加微生物的代謝消耗,進(jìn)而降低CUE[15]。研究表明,厭氧環(huán)境下的土壤微生物CUE低于有氧環(huán)境[36]。在厭氧環(huán)境下,土壤微生物的代謝產(chǎn)物將由CO2轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒鼙煌耆趸腃H4形式釋放,CUE降低[65]。

4.3 底物質(zhì)量和有效性

微生物吸收利用的底物來(lái)自于土壤有機(jī)碳和植被凋落物,不同的底物質(zhì)量將會(huì)顯著影響土壤微生物CUE[17]。這種影響源自底物的不同物質(zhì)組成、分解過(guò)程、還原性程度以及有效性等。分解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的底物(如木質(zhì)素和酚類等),需要經(jīng)歷更多的酶促分解反應(yīng)過(guò)程,增加了微生物的呼吸代謝,CUE會(huì)降低[61,66]。對(duì)難分解性底物的降解還將增加胞外酶代謝,也使得CUE降低[67]。Takriti等[44]的研究指出,土壤微生物CUE在地理分布上的分異主要受到各樣點(diǎn)土壤底物質(zhì)量差異的影響。

底物的C還原性程度(γS)是影響土壤微生物CUE的另一個(gè)重要因素。C還原性程度是指每摩爾C的化學(xué)能,通常用每摩爾C的電子當(dāng)量表示。被微生物利用的主要底物的γS通常介于3—5的范圍內(nèi)(如有機(jī)酸、葡萄糖、碳水化合物和脂類),與土壤微生物的C還原性程度相當(dāng)(γB≈4.2)[39]。當(dāng)?shù)孜锏摩胹低于微生物γB時(shí),由于單位底物所具有的能量不能滿足一個(gè)單位生物量生產(chǎn)的能量需求,土壤微生物CUE較低[39- 40]。對(duì)16種不同還原性程度的底物CUE的分析結(jié)果表明,糖類CUE(0.667)> 氨基糖CUE(0.601)> 氨基酸CUE(0.551)> 有機(jī)酸CUE(0.498)[17]。

此外,土壤微生物CUE還會(huì)受到底物養(yǎng)分有效性的影響。當(dāng)養(yǎng)分有效性和組成發(fā)生改變時(shí),微生物會(huì)通過(guò)改變其化學(xué)酶調(diào)控的碳同化途徑來(lái)響應(yīng)養(yǎng)分的變化[68- 70]。大量研究表明,土壤微生物CUE會(huì)隨著養(yǎng)分有效性的增加而增加[12- 13]。微生物碳吸收速率與養(yǎng)分濃度間存在飽和函數(shù)關(guān)系。在資源限制下,微生物將維持能滿足吸收系統(tǒng)資源消耗下的最優(yōu)碳吸收速率[41,70]。當(dāng)養(yǎng)分有效性增加,養(yǎng)分濃度超過(guò)微生物的平衡濃度時(shí),將會(huì)促進(jìn)碳吸收,從而提高CUE。相反,養(yǎng)分的限制則會(huì)降低CUE。養(yǎng)分的限制會(huì)改變微生物自身的分解和合成耦合代謝過(guò)程,增加胞外酶和多糖等代謝產(chǎn)物,使CUE降低[71- 72]。大量的N添加實(shí)驗(yàn)也證明這一點(diǎn),N素等養(yǎng)分的添加,會(huì)刺激微生物的活性或降低微生物呼吸代謝,微生物表現(xiàn)出高的CUE,尤其在N素限制的環(huán)境下[20,51,73- 74]。N添加主要促進(jìn)了微生物對(duì)活性C的利用效率[74]。有研究也指出,長(zhǎng)期的N添加后活性的C庫(kù)被逐漸分解,微生物群落會(huì)最終轉(zhuǎn)變?yōu)槭蹸素等能量限制,從而土壤微生物CUE降低。由于大部分養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)仍處在有限的時(shí)間范圍,揭示微生物如何響應(yīng)與適應(yīng)養(yǎng)分有效性的變化還需要更深入的長(zhǎng)期觀測(cè)研究。

為滿足對(duì)多種養(yǎng)分元素的需求,土壤微生物還會(huì)進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的資源調(diào)節(jié)和再分配,進(jìn)一步影響微生物的生長(zhǎng)和CUE[75- 78]。當(dāng)受某種養(yǎng)分限制時(shí),微生物會(huì)投入更多的能量來(lái)獲取缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素,從而抑制了微生物生長(zhǎng)和CUE[12- 13]。例如,受P素限制時(shí),微生物會(huì)增加用于P元素資源獲取的投入,使得CUE降低[29]。實(shí)驗(yàn)表明,養(yǎng)分的不足將抑制微生物的生長(zhǎng),使得CUE降低[61]。這種養(yǎng)分有效性的限制作用通常是多種養(yǎng)分有效性共同限制的結(jié)果[29]。

4.4 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)限制

底物的元素化學(xué)計(jì)量比的變化顯著影響微生物的生長(zhǎng)和CUE[13,79]。分解者-微生物具有穩(wěn)定的元素化學(xué)計(jì)量比,且不同于外界環(huán)境和分解底物的化學(xué)計(jì)量組成。研究表明,土壤微生物的C/N約為7—8.6[79- 81],高于浮游生物(6.6)和水生生物(8.3),而低于土壤有機(jī)碳(12.3)和植被凋落物(18.2—75)[79- 83]。土壤微生物的C/P約為23—60[79- 80],顯著低于浮游生物(106)、水生生態(tài)系統(tǒng)(166)、土壤有機(jī)碳(72)和植被凋落物(100—837)[79- 83]。

根據(jù)化學(xué)計(jì)量比限制理論,土壤微生物會(huì)優(yōu)先吸收利用元素組成最適宜其生長(zhǎng)所需的物質(zhì),以有利于維持自身的化學(xué)計(jì)量比平衡。當(dāng)?shù)孜锏腃含量與必需元素E含量的比值(C∶E)低于微生物最優(yōu)生長(zhǎng)所需元素比例的閾值(TERC∶E)時(shí),有利于元素的礦化；而當(dāng)C∶E高于TERC∶E時(shí),有利于元素的固持。因此,分解N、P元素含量高的底物,土壤微生物表現(xiàn)為C限制,CUE較高。當(dāng)分解底物N、P元素含量低時(shí),土壤微生物可能有兩種反應(yīng)：一是抑制對(duì)底物C和養(yǎng)分的吸收；二是將多余的C以溢流呼吸或代謝分泌物的形式釋放[35]。第一種反應(yīng)將不影響微生物的CUE,然而第二種反應(yīng)由于增加了呼吸代謝和分泌物釋放,將會(huì)降低土壤微生物CUE。

大量研究指出,土壤微生物CUE與土壤有機(jī)質(zhì)C∶N、C∶P比等呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[33,42,44]。Lee 等[73]的研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田和落葉林中的土壤微生物CUE均隨著土壤可溶性C∶N的升高而降低。Takriti等[44]對(duì)不同海拔上土壤微生物CUE的變異研究也指出,在有機(jī)層和礦物層表層土壤中,隨著緯度的升高,土壤C∶N升高,土壤微生物CUE呈下降趨勢(shì)。

4.5 微生物群落組成

土壤微生物CUE還受到微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的影響,因?yàn)椴煌奈⑸锓N群具有不同的有機(jī)質(zhì)分解和吸收速率[84- 85]。有研究表明,采用‘機(jī)會(huì)’生長(zhǎng)策略的快速生長(zhǎng)型微生物通常更適應(yīng)高養(yǎng)分含量的環(huán)境,相對(duì)于緩慢生長(zhǎng)的微生物具有較低的CUE[86- 88]。Adu等[47]的研究也指出,以真菌為主的微生物群落的CUE往往高于細(xì)菌為主的微生物群落。真菌的C∶N∶P變異范圍通常寬于細(xì)菌,并且真菌的C∶N高于細(xì)菌具有更高的C素需求,表現(xiàn)出高的CUE[87]。但是,也有研究指出,土壤群落的CUE并無(wú)顯著差異[19- 20]。Thiet等[20]在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),高真菌/細(xì)菌比的群落與低真菌/細(xì)菌比的群落的CUE并無(wú)顯著差異,分別為0.59±0.02和0.61±0.01。有研究也指出,底物C∶E的增加可以增加真菌群落的CUE,但卻降低細(xì)菌群落的CUE[87]。微生物群落的種間競(jìng)爭(zhēng)會(huì)降低微生物的CUE[89]。由于微生物的群落組成極易受到外界環(huán)境變化以及人為活動(dòng)的影響,也隨著底物質(zhì)量和組成的變化而變化,量化不同群落組成的CUE的差異仍需進(jìn)一步深入研究[19,87]。

5 問(wèn)題與展望

5.1 研究尺度辨析

微生物CUE通指微生物吸收利用C并將其轉(zhuǎn)化為自身產(chǎn)物的效率,但它卻具有特定的時(shí)間和空間屬性[90]。Geyer等[91]將微生物CUE分為3個(gè)層次：種群CUE(CUEP)、群落CUE(CUEC)和生態(tài)系統(tǒng)CUE(CUEE)。這3個(gè)層次的CUE表征了從種群到生態(tài)系統(tǒng)不同尺度上微生物的生物合成效率,包含了不同的微生物生理和化學(xué)過(guò)程[91]。前期大量的研究更多關(guān)注的是種群和群落尺度的微生物CUE,近期有越來(lái)越多的研究著眼于探討生態(tài)系統(tǒng)尺度CUE的變化及其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)[92- 93]。不同研究尺度、觀測(cè)階段和測(cè)定條件下獲取的CUE結(jié)果比較將給解析結(jié)果帶來(lái)更大難度和不確定性[90]。在未來(lái)的CUE研究中,亟需更清晰地辨明微生物CUE的特定研究尺度和過(guò)程以準(zhǔn)確地比較和應(yīng)用。

5.2 代謝組分分析

當(dāng)前土壤CUE的計(jì)算方法不統(tǒng)一并且存在高估現(xiàn)象。微生物的呼吸是多個(gè)組分的呼吸的總和,包括了用于生長(zhǎng)的生長(zhǎng)呼吸、有機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)的維持呼吸、分泌胞外酶的呼吸以及溢流的呼吸。當(dāng)前微生物CUE研究大多只考慮了微生物的生長(zhǎng)呼吸或生長(zhǎng)和維持呼吸,極少考慮胞外酶和溢流呼吸組分[13]。這使得CUE被高估,同時(shí)也使得CUE的計(jì)算結(jié)果存在很大差異。在今后的研究中,還需充分考慮胞外酶和溢流呼吸的損失。例如,在室內(nèi)培養(yǎng)的測(cè)定過(guò)程中,選取適宜的培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)觀測(cè)包含微生物產(chǎn)物代謝和分泌的完整過(guò)程。此外,采用同位素標(biāo)記與代謝組學(xué)相結(jié)合方法測(cè)算酶的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化。

5.3 多要素交互影響研究

由于復(fù)雜的土壤-植物-微生物交互作用,環(huán)境變化對(duì)土壤微生物CUE的影響以及土壤微生物CUE對(duì)全球變化的響應(yīng)與反饋仍存在很大的不確定性。例如,土壤微生物CUE是否隨著溫度升高而持續(xù)降低？是否存在熱適應(yīng)性？長(zhǎng)期的外源養(yǎng)分輸入下土壤微生物CUE將如何變化？等。由于土壤微生物CUE對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)因不同的底物質(zhì)量、有效性、元素化學(xué)計(jì)量組成、微生物活性、群落組成而復(fù)雜多變[58],在未來(lái)的過(guò)程機(jī)理研究中,還需要綜合探討環(huán)境和生物多要素交互影響下,微生物的生理響應(yīng)過(guò)程與對(duì)CUE的影響和調(diào)節(jié)機(jī)制。

5.4 土壤碳循環(huán)模型優(yōu)化

土壤微生物CUE是土壤C循環(huán)模型中的重要參數(shù)?，F(xiàn)有許多模型假定CUE是一個(gè)常數(shù)或很少考慮,使得無(wú)法準(zhǔn)確模擬土壤微生物CUE對(duì)外界環(huán)境條件變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程及其對(duì)土壤C循環(huán)的影響[7,94]。有的模型則將微生物CUE表達(dá)為溫度、養(yǎng)分有效性或養(yǎng)分元素比的一階函數(shù)關(guān)系,而忽略了微生物的生理過(guò)程,如微生物代謝途徑、群落組成、種間關(guān)系等的變化。此外,大量生物地球化學(xué)模型中,微生物呼吸過(guò)程通常被認(rèn)為主要與微生物C平衡相關(guān),而與N平衡無(wú)關(guān),更是缺乏考慮P元素的動(dòng)態(tài)變化的影響[29,35]。在未來(lái)的土壤C周轉(zhuǎn)模型優(yōu)化中,還需綜合考慮元素計(jì)量平衡制約、微生物對(duì)外界環(huán)境條件變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,以及微生物代謝途徑、群落組成、種間關(guān)系、微生物周轉(zhuǎn)等生理過(guò)程變化。