火干擾下的森林土壤微生物研究現(xiàn)狀分析

佘容, 楊曉燕*, 肖文

1.大理大學(xué)東喜瑪拉雅研究院，云南 大理 671003；

2.中國三江并流區(qū)域生物多樣性協(xié)同創(chuàng)新中心，云南 大理 671003

火是地球上一種常見的現(xiàn)象，在地球生命演化進(jìn)程中扮演著非常重要的角色，塑造著萬物生靈[1-3]，在生態(tài)系統(tǒng)的演替過程中發(fā)揮著重要的作用[4]，是生物多樣性產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[5-8]。同時(shí)，火也是一種劇烈的環(huán)境干擾因素，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響十分顯著，尤其是在全球變暖和人類活動(dòng)加劇的當(dāng)下，火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度和頻率將進(jìn)一步增加[9,10]，火對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的影響及火后生態(tài)恢復(fù)將成為21世紀(jì)生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容之一[11]。

微生物是地球上出現(xiàn)最早的生命，棲息在幾乎所有人類可以想象的環(huán)境中。土壤中蘊(yùn)藏著地球上最多樣化的微生物資源，是地球關(guān)鍵元素循環(huán)的引擎，聯(lián)系著大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的物質(zhì)和能量交流，并對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成與維護(hù)以及植物健康生長均起著重要作用[12,13]。同時(shí)，土壤微生物還在植被恢復(fù)、生境重建和土壤的穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著非常重要而獨(dú)特的作用[14,15]?？梢姡寥牢⑸锸巧鷳B(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它的擾動(dòng)和恢復(fù)過程都會(huì)直接影響到地表植被和其他生態(tài)過程[16-18]。近年來，隨著分子生物技術(shù)和分析方法的迅猛發(fā)展[19]，生態(tài)學(xué)中長期被忽視的土壤微生物逐漸得到重視，其在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中的重要性也逐漸得到認(rèn)可[20,21]。因此，本文基于相關(guān)研究文獻(xiàn)，分析火干擾下的土壤微生物研究現(xiàn)狀，探求未來火干擾下森林土壤微生物研究需要關(guān)注的方向，以此助力二十一世紀(jì)的火生態(tài)學(xué)研究及生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)實(shí)踐。

1 火干擾下的森林土壤微生物研究現(xiàn)狀

1.1 火對(duì)土壤微生物的影響

目前，關(guān)于火對(duì)土壤微生物影響的研究主要是從火后土壤的總生物量、生物量碳、生物量氮、土壤呼吸、土壤酶活等指標(biāo)變化的角度入手，探究火對(duì)土壤微生物的影響。近年來，隨著分子生物技術(shù)和分析方法的迅猛發(fā)展，人們逐漸開始對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的火干擾影響作用進(jìn)行了研究?？傮w上，火干擾過程對(duì)土壤微生物的作用主要有直接影響和間接影響兩個(gè)方面。一方面，在火干擾過程中，土壤表面溫度可以從50 ℃達(dá)到1 500 ℃，而土壤微生物對(duì)熱比較敏感，火燒能直接導(dǎo)致土壤微生物的死傷，使得土壤表層微生物的數(shù)量及代謝活性大大降低[22]，且難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)[23]；另一方面，火燒改變了地面植被和土壤理化性質(zhì)[24]，火燒產(chǎn)生的灰燼逐漸滲透也會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[25-28]，從而間接影響土壤微生物，導(dǎo)致其生物量和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

1.2 影響火干擾作用強(qiáng)度的因素

火對(duì)土壤微生物的干擾作用主要受到火燒強(qiáng)度、火燒持續(xù)時(shí)間、回火間隔、植被類型、凋落物積累量、土壤深度和降雨量等因素影響，從而導(dǎo)致研究結(jié)論因火燒跡地的不同而存在差異[29,30]?；馃龔?qiáng)度是火干擾作用的最主要影響因子，不同的火燒強(qiáng)度產(chǎn)生的溫度差別很大[31]，因而其對(duì)土壤微生物的影響也存在顯著差異[32,33]。研究認(rèn)為，隨著火燒強(qiáng)度的增加，微生物生物量會(huì)顯著下降，尤其是重度火燒會(huì)使土壤微生物生物量明顯減少[34,35]，而輕、中度火燒對(duì)土壤微生物生物量的影響不顯著[36]。但有的研究卻發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量的減少程度與火燒強(qiáng)度無相關(guān)性，無論何種強(qiáng)度火燒均能使土壤微生物生物量減少[37]。不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤微生物群落和多樣性的影響程度也存在差異，重度火燒能夠明顯改變松樹林土壤的真菌和細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，尤其是真菌的多樣性和豐富度會(huì)隨著火燒強(qiáng)度的增加而下降[32]，而Hamman（2007）等的研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度與低強(qiáng)度火干擾后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異微小[38]?；鼗痖g隔是指受到反復(fù)火干擾生境中兩次火燒之間的間隔時(shí)間，因?yàn)殚g隔時(shí)間長短不同，土壤微生物恢復(fù)程度不同，從而導(dǎo)致土壤微生物在多次火燒中的變化也不同。生物量方面，2年一次的反復(fù)火燒所導(dǎo)致的微生物生物量降低幅度較每4年一次的大[39]；群落結(jié)構(gòu)方面，3年一次的反復(fù)火燒會(huì)改變土壤真菌群落，而6年一次的則能允許生態(tài)系統(tǒng)重新設(shè)置到與未火燒區(qū)域相似的狀態(tài)[40,41]。此外，土壤深度、降雨量、火燒前的植被類型等也會(huì)影響火對(duì)土壤微生物的作用強(qiáng)度。土壤對(duì)熱傳導(dǎo)有削減作用，火干擾對(duì)土壤微生物的直接作用主要在土壤表層（0～5 cm），隨著土壤深度的增加，影響急劇降低[42]，但是，這種削減作用又會(huì)受到土壤濕度的影響，隨著濕度增加，土壤對(duì)熱傳導(dǎo)的削減作用減弱[43]。火燒能直接快速的將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，在降雨過程中，土壤pH會(huì)增加0.5～1個(gè)單位。降雨量會(huì)影響土壤pH變化的持續(xù)時(shí)間，降雨量少的地方可持續(xù)數(shù)年、數(shù)十年，而降雨量豐富的地區(qū)由于火后地面裸露，鹽基大量淋失，火后pH值的增加僅能維持幾個(gè)月至1年[44]，而pH與土壤微生物群落密切相關(guān)[45,46]，同時(shí)，火后降雨形成的地表徑流將在短期內(nèi)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中磷的流失[47]，也能引起土壤微生物的變化。

1.3 火干擾后的土壤微生物恢復(fù)

火后土壤微生物恢復(fù)的研究主要關(guān)注于自然恢復(fù)狀態(tài)下土壤微生物的恢復(fù)節(jié)律，但已有研究的結(jié)論并不一致：1）生物量方面，有的研究認(rèn)為火燒增加了土壤營養(yǎng)從而導(dǎo)致土壤微生物生物量在火后的急劇增加[48]；而大多的研究則認(rèn)為，火干擾對(duì)土壤微生物生物量的作用是負(fù)向的，且作用時(shí)間可以持續(xù)3～13年[22]；K?ster (2016)等的研究顯示，火燒跡地土壤微生物生物量甚至需要幾十年的時(shí)間才能恢復(fù)[49]；2）群落結(jié)構(gòu)方面，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受火干擾后在早期變化明顯，后期會(huì)逐漸恢復(fù)，但不同研究中群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)節(jié)律不一致，尤其是野火和計(jì)劃火燒的恢復(fù)節(jié)奏差異很大[50,51]。研究結(jié)論存在差異的原因主要來自火本身的多樣性，即不同火災(zāi)的火燒強(qiáng)度和火燒持續(xù)時(shí)間是不同的，造成的影響自然不同，而多數(shù)的研究結(jié)論都是來自某一特定火燒跡地，這必然導(dǎo)致不同的研究結(jié)論。另一方面，火后土壤微生物的變化還受到火燒地立地條件的影響，如火燒前的植被及其壤質(zhì)、火燒地的地形、所處氣候區(qū)域等[28,52,53]。

2 火干擾下土壤微生物研究面臨的問題及可能的解決辦法

2.1 野火發(fā)生的不確定性

森林火干擾主要分野火干擾和計(jì)劃火燒干擾兩種類型。相對(duì)于計(jì)劃火燒，野火的發(fā)生是不確定的，導(dǎo)致野火研究中難以獲得火燒前的背景數(shù)據(jù)，且由于野火發(fā)生過程中火行為的多變性，導(dǎo)致無法對(duì)野火的火燒強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行直接測(cè)量，更缺少對(duì)土壤溫度及其他土壤屬性變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也無法對(duì)影響火干擾作用的因素進(jìn)行單因子作用解析與比較。所以未來研究應(yīng)該在基于野外火燒跡地研究結(jié)果的基礎(chǔ)上增加野外控制試驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)：一是可以在實(shí)驗(yàn)中通過熱電偶等對(duì)火強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)持續(xù)時(shí)間及土壤溫度的變化等理化性質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，這樣就可以建立火強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間與火對(duì)土壤微生物擾動(dòng)程度的定量化關(guān)系[24,54]；二是野外控制實(shí)驗(yàn)可以盡量還原火干擾中及火后自然環(huán)境對(duì)土壤微生物的影響，尤其是自然環(huán)境下種質(zhì)資源自由擴(kuò)散對(duì)群落重構(gòu)的影響[55]，這對(duì)進(jìn)行火后土壤微生物群落演替的理論研究是十分重要的；三是控制實(shí)驗(yàn)可以剖析火因子，如溫度、灰燼等的單獨(dú)作用與協(xié)同作用，研究結(jié)果將進(jìn)一步支撐火干擾影響作用模型的建立。

2.2 土壤微生物類群大，研究技術(shù)有限

鑒于微生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的局限性，目前在土壤微生物研究中，研究人員日益依賴基因組測(cè)序技術(shù)，忽視了傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法在微生物研究中的重要性。雖然基因測(cè)序技術(shù)有著巨大的潛力并且獲得了很多開拓性的成果，但是該方法畢竟是基于基因序列推導(dǎo)的結(jié)果，難以對(duì)其進(jìn)行實(shí)證性的驗(yàn)證。此外，測(cè)序技術(shù)本身也存在關(guān)于“種”的定義問題，而這是利用測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落物種組成進(jìn)行測(cè)度的基礎(chǔ)[56]。另外，基于分子生物學(xué)技術(shù)的功能研究，如轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，此類方法一方面費(fèi)用高昂，另一方面，即使是定義明確的物種，如大腸桿菌，在親緣關(guān)系密切的生物群體中，不同成員的基因組也可能存在很大差異，因此，即使通過系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記找到物種也并不一定意味著有其特定的基因與之相伴[57]。因此，未來還有待加強(qiáng)微生物培養(yǎng)法的改進(jìn)與創(chuàng)新，如根據(jù)基因組測(cè)序結(jié)果設(shè)計(jì)培養(yǎng)基配方、原位培養(yǎng)等，并加強(qiáng)其在微生物群落功能研究中的應(yīng)用，以驗(yàn)證、補(bǔ)充宏基因組的數(shù)據(jù)[58]。同時(shí)，只有在種群明確的情況下，才能開展基于種群到群落的火適應(yīng)機(jī)制、功能相關(guān)性、火后恢復(fù)生態(tài)學(xué)等研究。另外，鑒于火對(duì)生物多樣性的促進(jìn)作用，借助培養(yǎng)法開展研究還有利于發(fā)現(xiàn)微生物新種[59,60]。

3 火干擾下土壤微生物研究展望

從目前已經(jīng)發(fā)表的國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，對(duì)火干擾下森林土壤微生物的研究尚未得到學(xué)界的足夠重視。與此相對(duì)應(yīng)的是，有限的研究也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火對(duì)土壤微生物的影響較大，因此，從火視角開展土壤微生物的研究不僅可能極大促進(jìn)一些生態(tài)學(xué)核心問題的突破，也是恢復(fù)生態(tài)學(xué)不可或缺的重要組成部分，同時(shí)也有助于火后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)踐。

3.1 加強(qiáng)火干擾下土壤微生物群落構(gòu)建機(jī)制研究

群落構(gòu)建機(jī)制是生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容，也是恢復(fù)生態(tài)理論研究的重要方向[61]，但微生物群落構(gòu)建機(jī)制的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于動(dòng)植物，已有研究對(duì)確定性過程與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對(duì)貢獻(xiàn)也尚不清楚[62,63]。各種生境中復(fù)雜的微生物種群和龐大的生物量使微生物群落的時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變得的非常困難，尤其是微生物群落微小的變化難以被檢測(cè)到。因此，要了解清楚確定性過程與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建過程中的作用，需要在自然環(huán)境下，對(duì)微生物群落尤其是受干擾后種群數(shù)量急劇減少的微生物群落的重構(gòu)過程進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，才能確定隨機(jī)性和確定性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對(duì)重要性或者在不同群群落構(gòu)建時(shí)期的作用。已有研究表明，火的干擾會(huì)顯著降低土壤微生物生物量，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生很多生態(tài)位空斑，甚至重啟土壤微生物群落構(gòu)建[64-66]，這個(gè)過程可能會(huì)持續(xù)較長時(shí)間[23]。因此，從火視角開展火后土壤微生物群落變化的長期監(jiān)測(cè)，將有可能解析確定性與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對(duì)作用，尤其是隨機(jī)性群落裝配過程在微生物群落構(gòu)建中的作用，極大推進(jìn)土壤微生物的群落構(gòu)建機(jī)制研究。同時(shí)，隨著人們對(duì)生物群落演替和聚集機(jī)制研究的推進(jìn)，生態(tài)學(xué)理論在生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐活動(dòng)中的指導(dǎo)作用越來越受到關(guān)注[67]，加強(qiáng)火后群落構(gòu)建機(jī)制研究，也有利于更好的指導(dǎo)火后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)實(shí)踐。

3.2 加強(qiáng)微生物不同類群間及與其他生物類群的相互關(guān)系研究

不同土壤微生物類群間相互競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)同共存[68,69]，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的功能，而目前火干擾下的土壤微生物研究大多只針對(duì)一類微生物，未來研究需整體比較評(píng)估不同類別土壤微生物對(duì)火干擾的響應(yīng)及其在火后的群落組成和生態(tài)功能的變化，發(fā)掘在火后恢復(fù)過程中的關(guān)鍵功能群及關(guān)鍵物種。另外，生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)部分緊密聯(lián)系又相互影響，尤其是土壤微生物，既與地上植被相互作用[70,71]，也與土壤動(dòng)物相互關(guān)聯(lián)[72,73]，而成功的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)必將是建立在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中多個(gè)營養(yǎng)水平上生物群落的協(xié)同恢復(fù)基礎(chǔ)之上的。因此，火干擾下土壤微生物的研究必須考慮與其他生物類群的相互關(guān)系，通過跨越營養(yǎng)、生理和系統(tǒng)發(fā)育水平范圍的研究，方有可能全面理解和預(yù)測(cè)火干擾下土壤微生物的演變及影響因素[21,74-76]。

3.3 加強(qiáng)火干擾下土壤微生物生態(tài)功能的研究

研究表明，在火的干擾下土壤微生物群落會(huì)發(fā)生明顯變化，但這種變化與土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)系如何？是哪些類群在土壤恢復(fù)的不同階段發(fā)揮生態(tài)學(xué)功能以及是什么樣的功能[77]，目前是還不清楚的，而這對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)的理論突破和實(shí)踐都至關(guān)重要。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)和分析方法的發(fā)展，火干擾下的土壤微生物研究日漸增多，但是目前的研究主要針對(duì)微生物總量或物種組成方面的變化研究，對(duì)功能的影響以及受干擾后的響應(yīng)變化研究是相對(duì)缺乏的，而這正是所有研究的最終目的[78]。另一方面，微生物群落中存在功能冗余，面對(duì)干擾，群落結(jié)構(gòu)的變化與功能的變化可能是不一致的[79]。因此，在對(duì)群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究的同時(shí)，必須加強(qiáng)火后不同階段土壤微生物群落功能的研究，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)中發(fā)揮重要作用的功能類群以利于恢復(fù)實(shí)踐的開展，達(dá)到有效、快速實(shí)現(xiàn)火后土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的目的。此外，微生物宏觀生態(tài)研究領(lǐng)域也應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因芯片技術(shù)等功能研究手段及分析方法，如共生網(wǎng)絡(luò)分析等服務(wù)于微生物群落功能的研究。

3.4 加強(qiáng)火后土壤微生物的人工恢復(fù)研究

隨著火災(zāi)發(fā)生頻率和強(qiáng)度的增加，火后恢復(fù)必將逐漸納入生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)踐中，但當(dāng)前人類干預(yù)下的生態(tài)恢復(fù)主要關(guān)注地上植被和動(dòng)物的恢復(fù)[80]，對(duì)于土壤，尤其土壤微生物的恢復(fù)研究主要從植被恢復(fù)后土壤微生物會(huì)產(chǎn)生的變化角度進(jìn)行了少量的探索[81,82]，而在火后人工恢復(fù)過程中考慮利用土壤微生物為工具進(jìn)行的研究則僅見于Aguirre-Monroy等的關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)恢復(fù)的研究報(bào)道[83]，而以土壤微生物為目的的森林火燒跡地人工恢復(fù)研究和實(shí)踐活動(dòng)目前還是空白。研究表明，土壤微生物對(duì)不同的管理措施的響應(yīng)是非常迅速的，而不同的植被恢復(fù)對(duì)土壤微生物的影響不同[84]。另外，最新的研究表明，即使植被恢復(fù)，土壤微生物活性和群落組成也沒有恢復(fù)[82]，而土壤，作為生物系統(tǒng)的重要組成部分，其功能發(fā)揮的主角—微生物的修復(fù)是保證生態(tài)恢復(fù)效果持續(xù)且能抵抗干擾的最有效、經(jīng)濟(jì)的途徑[85]。因此，未來的恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究有必要在對(duì)火后土壤微生物恢復(fù)相關(guān)功能群研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展功能微生物的人為介入方法研究，以幫助土壤微生物群落的快速恢復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)，從而支撐火后森林生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。