土壤微生物活性和生物量對干濕交替的響應(yīng)

謝志煌，高志穎，郭麗麗，張錦源，于鎮(zhèn)華

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引 言

土壤微生物占土壤質(zhì)量的百分比不足0.5%(w/w)，但卻對維持土壤生產(chǎn)力和土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到十分重要的作用。例如，土壤微生物通過參與土壤中的氧化過程、硝化過程和氮固定過程，完成了土壤有機質(zhì)的降解和營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化[1]。同時，微生物體內(nèi)還貯存著碳/氮和營養(yǎng)物質(zhì)，這部分物質(zhì)在微生物死亡后被礦化，從而被活著的微生物利用[2]。土壤環(huán)境的擾動會改變土壤微生物生活的微環(huán)境，從而進一步影響土壤微生物參與的養(yǎng)分循環(huán)等過程。

土壤水分的變化和分布隨季節(jié)降雨、灌溉周期和溫度的變化而變化。根據(jù)全球氣候模型預(yù)測，21世紀世界范圍的降水格局將被改變，從而引發(fā)持續(xù)的干旱和頻繁的強降雨事件發(fā)生[3]，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)，表層土壤將會頻繁地經(jīng)歷長時間的干旱和相對急劇地復(fù)水過程。這種干濕交替過程會影響地下土壤微生物，以及與碳和氮循環(huán)密切相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[4-7]。在干濕交替過程中，一部分微生物可以通過利用較厚的細胞壁或者合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵御水分變化的脅迫，而另外一部分不能抵御水分脅迫變化的微生物將進入休眠狀態(tài)，或者形成芽孢，甚至死亡[8-12]。本文從土壤微生物對干濕交替的生理響應(yīng)、土壤微生物量和活性對干濕交替的響應(yīng)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對干濕交替的響應(yīng)、土壤酶活性對干濕交替的響應(yīng)以及上述響應(yīng)可能會對土壤碳氮礦化過程產(chǎn)生的影響進行綜述，以增加人們對干濕交替過程中土壤微生物如何響應(yīng)的了解，并為準確預(yù)測農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)對未來降雨格局變化的響應(yīng)和反饋提供參考依據(jù)。

1 土壤微生物對干濕交替的生理響應(yīng)

土壤中存儲著大量的水分，例如，每公頃質(zhì)地良好的土壤(1 m深度)在達到田間持水量的20%時可存儲8.0×105L水[13]，土壤水分對植物和土壤微生物生長以及土壤養(yǎng)分循環(huán)至關(guān)重要。但是，土壤含水量的時空變化不僅會影響土壤水分對植物和微生物的可利用性，也會影響土壤溶液中各種溶質(zhì)和氣體的擴散[14]。土壤中水的狀態(tài)主要有兩種描述指標：第一種是土壤含水量，即土壤中存在多少水，通常與土壤水分平衡過程關(guān)系密切；第二種是土壤水勢，即土壤水所具有的勢能，與水的能態(tài)和土壤水分的運動關(guān)系更為密切[15]。一般來講，土壤含水量越高，土壤水勢越低，但是兩者的相互關(guān)系還與土壤質(zhì)地有關(guān)。例如，當(dāng)水勢相同時，黏土比沙土含水量高，而當(dāng)土壤含水量相同時，黏土對土壤水分的持有性越強。另外，結(jié)構(gòu)較好的土壤一般具有較多的大土壤孔隙(>0.06 mm)，對水分的結(jié)合能力弱于具有較小和中等大小土壤孔隙的土壤[16]。因此，在明確土壤水分的運動以及土壤水分對植物和微生物的可利用性時，應(yīng)綜合考慮土壤含水量和水分的能量狀態(tài)。

由于土壤微生物具有半透膜結(jié)構(gòu)，在土壤中存在于水膜里(細菌)或者和水膜接觸(真菌)，水相和微生物細胞質(zhì)之間水勢是平衡的。當(dāng)土壤干燥時，土壤溶液中的基質(zhì)勢和滲透勢會降低，微生物會通過積累諸如氨基酸、碳水化合物、多元醇和無機溶質(zhì)等高濃度溶質(zhì)，通過脫水和降低滲透勢來平衡環(huán)境脅迫[17]，這種生存策略雖消耗能量和碳源，但卻可以幫助微生物在干燥的環(huán)境下生存。微生物的滲透調(diào)節(jié)具有一定的閾值，并且在不同的微生物之間閾值有所不同，當(dāng)超過閾值時，微生物細胞會進一步脫水并且死亡[18]，或通過形成芽孢、孢囊和生殖細胞來度過干燥階段[19]。干燥土壤再次濕潤時，土壤水勢的迅速變化使微生物細胞經(jīng)歷滲透性的沖擊[17]，水勢升高時耐受能力較強的土壤微生物能夠利用干燥階段累積的高濃度溶質(zhì)，從而避免因土壤水勢的快速升高而導(dǎo)致的細胞裂解[20-21]。部分微生物細胞可通過新陳代謝的衰減，進一步聚合高濃度溶質(zhì)或者是通過增強向土壤當(dāng)中的主動運輸作用來平衡水勢[17]。

2 土壤微生物量和活性對干濕交替的響應(yīng)

土壤微生物對干燥過程的響應(yīng)還表現(xiàn)在土壤微生物活性方面，隨土壤含水量的降低，微生物活性呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，但隨著時間推移微生物活性降低的程度逐漸變緩，在干旱后期微生物量較低[22-23]。微生物活性高的土壤其活性降低的幅度比微生物活性低的土壤大[24]，一部分活躍的對水分敏感的微生物細胞會裂解死亡[25]。對地中海草地土壤的研究表明，當(dāng)溫度為40℃時，暴露在空氣的土壤干燥超過24小時微生物量會減少1/3[26]；與此類似的是，Sparling等[27]報道土壤干燥過程使微生物量減少14%～30%。而Scheu和Parkinson[28]對白楊和松樹林的土壤研究表明，空氣干燥超過14天微生物量只降低了10%，以上的研究表明這些微生物已經(jīng)適應(yīng)了水分脅迫。不同微生物種類對水勢降低的敏感性不同，革蘭氏陰性菌比革蘭氏陽性菌對水分的變化更敏感[29]。一般來講，在有水分脅迫的土壤中，真菌的活性要比細菌高，這可能與真菌可利用菌絲來傳輸水分或者養(yǎng)分有關(guān)[30]。Wilson和Griffin[31]報道了細菌活性在土壤水勢達到-0.6～-0.8 Mpa以上時較強，而真菌和放線菌活性在土壤水勢達到-0.8～-2.0 MPa時較強。

微生物活性在復(fù)水24小時后達到最高值[32]。研究表明，復(fù)水后微生物活性增強是因為干濕交替導(dǎo)致顆粒有機碳隨著土壤團聚體的破壞而釋放，為微生物提供了更多可利用的碳源，提高了土壤有機質(zhì)的微生物可利用性，因而提高了微生物活性[33-34]，但是這種影響僅限少量次數(shù)的干濕交替循環(huán)。多次干濕交替后，土壤微生物量在沒有外源碳輸入時會迅速降低，主要是由于土壤中可供微生物消耗的有機質(zhì)有限，隨著干濕交替次數(shù)的增多，土壤團聚體解裂，水分及養(yǎng)分固持能力下降，可供微生物吸收利用的有機物質(zhì)最終逐漸耗盡。也有研究表明，復(fù)水后微生物活性增強是由于在干燥過程中部分微生物被礦化分解，釋放出養(yǎng)分供給其它微生物，從而引起微生物活性提高，微生物數(shù)量上升[26]?；钴S的微生物細胞可能比休眠的微生物細胞對干燥和復(fù)水過程更敏感，復(fù)水后所釋放的微生物底物在大多數(shù)土壤中是重要的碳源和氮源。微生物活性和微生物量在復(fù)水后的快速響應(yīng)和恢復(fù)表明，即使一些微生物在水分脅迫下已經(jīng)死亡，但大多數(shù)微生物能夠適應(yīng)干燥和復(fù)水脅迫[35]。

3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對干濕交替的響應(yīng)

不同的微生物群落對干濕交替脅迫的響應(yīng)不同，真菌和革蘭氏陽性細菌由于擁有堅實的細胞壁，因而對水分脅迫的耐受性較強[36]。研究表明，熱帶地區(qū)土壤中，連續(xù)干旱導(dǎo)致土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，真菌在微生物群落中逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位[37]。富宏霖等[22]也發(fā)現(xiàn)隨著土壤含水量的降低，土壤真菌數(shù)量增加，而細菌數(shù)量減少。Butterly等[38]研究表明，土壤干濕交替過程增加了革蘭氏陽性細菌的豐富度。劉奎等[39]利用高通量測序技術(shù)研究免耕和壟作土壤微生物群落對不同頻率和強度的干濕交替過程的響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干濕交替顯著增加免耕土壤中浮霉菌門(Planctomycetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對豐度，但明顯降低免耕和壟作土壤中Saccharibacteria菌門和Parcubacteria菌門的相對豐度。莊林杰等[40]對比稻田土和沉積物等發(fā)現(xiàn)，干濕交替導(dǎo)致土壤微生物多樣性總體下降，其中，變形菌門(Proteobacteria)的優(yōu)勢地位發(fā)生波動，而厚壁菌門(Firmicutes)漸漸發(fā)展為優(yōu)勢種群。Gordon等[41]研究表明，干濕交替條件下英國放牧草地的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，雖然細菌群落的PLFA不受影響，但是真菌群落PLFA量顯著減少，從而導(dǎo)致細菌與真菌PLFA量比值呈升高趨勢，但微生物的PLFA總量并沒有受到顯著影響。也有研究發(fā)現(xiàn)，相比于有機物料的添加，干旱處理以及干濕交替頻率對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響更大，首次干旱處理抑制了土壤中細菌群落的活性，但卻促進了真菌的活性。然而，隨著干濕交替頻率的增加，細菌的群落活性增強，真菌群落受到抑制，到培養(yǎng)后期細菌占據(jù)微生物群落結(jié)構(gòu)的主要地位[42]。Steenwerth等[43]報道，干濕交替過程中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而微生物量沒有改變。也有許多研究表明，頻繁發(fā)生干濕交替的土壤中，微生物群落會逐漸適應(yīng)干濕交替，如Fierer等[32]發(fā)現(xiàn)干濕交替改變了櫟樹林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，而沒有改變草地的微生物群落結(jié)構(gòu)，可能是因為草地的地表覆蓋物少，會比櫟樹林經(jīng)歷更多的干濕交替，導(dǎo)致草地的微生物群落適應(yīng)了干濕交替。Thion和Prosser[44]采用DGGE法研究了干濕交替對草地土壤中氨氧化細菌和氨氧化古菌群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)沒有干旱歷史的土壤中，微生物群落結(jié)構(gòu)對干濕交替的適應(yīng)性較差。其中，氨氧化古菌的基因豐度以及群落組成在干濕交替后恢復(fù)能力低于氨氧化細菌。

4 土壤酶活性對干濕交替的響應(yīng)

土壤酶是具有生物化學(xué)催化活性的物質(zhì)，主要來源于土壤微生物。土壤微生物主要通過分泌胞外酶的形式參與元素循環(huán)。胞外酶作為土壤催化劑，直接參與土壤碳氮元素循環(huán)，是表征土壤碳氮礦化過程強度的重要指標[45]。土壤水分對土壤酶活性影響較大，土壤水分微弱的改變都會引起土壤酶活性的變化，原因可能是土壤水分的變化改變了微生物量、土壤對酶的吸附作用以及土壤中水膜的厚度[46-49]。近期的Meta分析結(jié)果表明，當(dāng)降雨量增加時，土壤氧化酶活性顯著升高，土壤水解酶類沒有顯著變化，而隨降雨量減少，土壤氧化酶活性顯著降低，土壤水解酶類顯著升高[50]。但目前關(guān)于多個干濕交替循環(huán)過程對土壤酶活性的研究較少，主要集中在脲酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶等少數(shù)幾種酶類，并且在不同生態(tài)系統(tǒng)中研究結(jié)果也不盡相同。Huygens等[51]對智利中南部4處草地在干濕交替條件下土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明，干濕交替降低了所有草地土壤酶活性，并且脲酶和蛋白酶活性與微生物的群落組成沒有顯著相關(guān)關(guān)系。然而，李源等對我國黑土區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替可以促進土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性[52]。王君[53]在上海青紫泥、青黃泥水稻土中研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化酶活性與土壤含水量存在線性相關(guān)，復(fù)水后轉(zhuǎn)化酶活性增強，隨著干濕交替頻率增強，轉(zhuǎn)化酶活性呈上升趨勢。章燕平[45]對干濕交替條件下菜地土壤酶活性的研究認為，與氮素相關(guān)的酶活性對水分的響應(yīng)因土壤類型不同而不同，但總體仍呈現(xiàn)干濕交替條件下的酶活性高于恒濕處理的酶活性。Ouyang等[54]研究了干濕交替循環(huán)對我國干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)(包括森林、農(nóng)田草地和沙漠)的表層土壤胞外酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)系統(tǒng)中干濕交替循環(huán)對土壤酶活性的影響均表現(xiàn)為顯著增加了β-葡糖苷酶和纖維二糖水解酶活性，但干濕交替循環(huán)對不同生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落和微生物量影響不同。不同研究關(guān)于干濕交替對土壤酶活性影響有不同的結(jié)果，可能與具體研究中土壤類型、干濕處理周期、干濕強度等條件有關(guān)，未來應(yīng)深入開展干濕交替過程中參與土壤碳氮礦化的土壤酶活性變化研究，明確干濕交替條件下土壤酶活性的變化規(guī)律，為進一步研究干濕交替對土壤碳氮循環(huán)影響的機理提供參考。

5 干濕交替過程導(dǎo)致的土壤微生物變化對土壤碳氮礦化過程的影響

在土壤干燥過程中，由于養(yǎng)分和離子的擴散受到限制，常伴隨土壤無機氮的積累，同時可提供給微生物的能量變少，微生物處于饑餓狀態(tài)，致使由微生物參與的土壤碳氮礦化過程也會受到一定限制[55]。當(dāng)土壤復(fù)水后，營養(yǎng)物質(zhì)因擴散作用而不再是限制因子，同時，積累的有機質(zhì)和死亡的微生物量可被活下來的微生物再次利用，微生物進入快速生長繁殖階段，重新活躍起來的新種群微生物活性顯著提高，對土壤碳氮礦化具有促進作用[56]。在干旱脅迫的土壤環(huán)境中，供給微生物利用的底物碳氮比顯著影響微生物主導(dǎo)的碳氮元素礦化過程[57]。一般而言，低碳氮比的底物意味著有較高的有機氮提供給微生物，造成微生物因生長過快而對碳源需求增多，礦化作用增強。相反，高碳氮比條件下微生物對有機質(zhì)的礦化作用受限于土壤有效氮的含量，微生物生長受到抑制，降低了底物的礦化效率[58-59]。微生物的生長效率是指微生物利用土壤環(huán)境中的有機碳組分，將其轉(zhuǎn)化為微生物量[60]，當(dāng)微生物生長效率較高時，微生物量碳的累積速率將超過土壤有機碳的礦化速率，而低的微生物生長效率導(dǎo)致有機碳礦化速率大于微生物量碳的累積。同時，較高的微生物生長效率意味著對氮的需求量較大，有機底物中的氮素含量無法滿足微生物需求，進而不利于氮素礦化[23,61]。在全球變化背景下，農(nóng)田土壤經(jīng)歷的干濕交替頻率和強度有增加趨勢，研究干濕交替條件下影響農(nóng)田土壤碳氮礦化的微生物學(xué)機制，對明確土壤碳氮元素礦化機理、減少氮素損失以及有效調(diào)控農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳氮元素循環(huán)及其周轉(zhuǎn)具有重要意義。

6 研究展望

國內(nèi)外學(xué)者對微生物在干濕交替的生理響應(yīng)機制和群落結(jié)構(gòu)變化等開展了很多研究，但在不同土壤和生態(tài)系統(tǒng)中，關(guān)于干濕交替與碳氮礦化和微生物學(xué)特性之間的相關(guān)關(guān)系還亟待拓展完善和深入研究。另外，以往研究針對干濕交替中細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)變化的研究較多，而對可培養(yǎng)微生物以及參與土壤碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程的微生物群落研究較少，因此，有必要開展可培養(yǎng)微生物和功能微生物對干濕交替響應(yīng)的相關(guān)探索。

在研究方法上，DGGE法測定DNA片段一般長度為500 bp，在鑒定微生物類群上具有一定局限性，所得到的微生物群落結(jié)構(gòu)信息有限，低估了土壤微生物多樣性[4-5]。近年來高通量測序平臺和分子生物學(xué)技術(shù)不斷突破和完善，可以幫助我們獲取更多微生物群落基因水平的信息，但基于DNA水平的研究技術(shù)不能區(qū)分微生物群落結(jié)構(gòu)中的活性群體和死亡群體，采用PLFA方法來獲得干濕交替微生物群落變化的特征不能表征具體特定功能的種屬，無法將微生物群落結(jié)構(gòu)與其功能相聯(lián)系[3]。因此，未來應(yīng)注重多種研究技術(shù)相結(jié)合，重點關(guān)注干濕交替循環(huán)中參與土壤碳氮循環(huán)的功能微生物，這對明確未來降雨格局條件下微生物參與的土壤碳氮元素礦化過程、調(diào)控農(nóng)田土壤物質(zhì)循環(huán)與解析碳氮元素流動特征具有重要意義。