高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物研究進展

喻 武，王君惠，李小熊，丁宇浩，黃莎琳

(西藏農牧學院資源與環(huán)境學院，西藏 林芝 860000)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]，尤其在能量流動及物質循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，如促進有機質的分解以及轉化、污染物的降解等過程[3-4]，故被譽為地球元素生物地球化學循環(huán)(Biogeochemical cycling，BGC)的引擎[5-6].評價土壤微生物指標，不僅能反映土壤質量的變化，又能預測土壤的健康狀況[7-11].高寒生態(tài)系統(tǒng)具有獨特的分布區(qū)域，如一些高海拔、氣候寒冷地區(qū)[12-13].該地區(qū)土壤養(yǎng)分匱乏，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，雖環(huán)境惡劣，但仍存有大量微生物，它們對這種極端環(huán)境生態(tài)平衡的維持產生極其重要的作用[14-15].因此，研究高寒地區(qū)土壤微生物對全球氣候變化、維持高寒生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要意義[16-18].

在全球變暖的背景下，水土流失、土壤鹽漬化等問題日益凸顯，環(huán)境變化的影響成為高寒區(qū)土壤微生物研究的最大瓶頸.目前，高寒區(qū)土壤微生物研究還處于起步階段，本文綜述了高寒生態(tài)系統(tǒng)中不同生境下土壤微生物數(shù)量、群落結構以及多樣性的變化特征，為闡明高寒生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應及反饋機理提供依據，以期為后續(xù)區(qū)域土壤微生物相關研究的創(chuàng)新和突破提供科學參考.

1 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量研究

土壤微生物數(shù)量是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)綜合特征的重要指標，是微生物研究的主要內容.微生物對環(huán)境條件極其敏感，土壤條件的微小改變將會導致微生物數(shù)量發(fā)生變化.縱觀國內外文獻，不同植被類型、環(huán)境條件下土壤微生物的數(shù)量研究愈來愈多.目前，已有學者對北極苔原[19]、南極地區(qū)[20]、阿爾卑斯山地苔原[21]、落基山脈[22]、青藏高原[23]等不同類型、條件下的高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的數(shù)量進行了較系統(tǒng)的研究.

1.1 不同土地退化程度下的微生物數(shù)量變化特征

不同土地退化程度影響土壤通透性，進而影響土壤微生物的繁殖，因此，微生物數(shù)量也存在一定差異.大量研究表明:隨著土地退化程度的加劇，高寒草甸土壤微生物數(shù)量大幅度減少，如天祝高寒草地[24]、瑪曲高寒草甸[25].于健龍和石紅霄[26]研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量隨著土地退化程度加劇而減少，其中真菌數(shù)量顯著降低，而劉世貴[27]、姚寶輝[28]等認為，在土地退化過程中，細菌數(shù)量明顯減少，但也有研究表明輕度退化草地土壤微生物數(shù)量較正常草地有所增加[29].究其原因，不同土地退化程度下土壤微生物數(shù)量與土壤水分[30]、通透性[31]、有機質[32]、酸堿性[33]等因子密切相關.

1.2 不同土層深度下土壤微生物數(shù)量變化特征

高寒生態(tài)系統(tǒng)凍土分布廣泛，凍土中的微生物在應對全球變化、生態(tài)系統(tǒng)演變、物質循環(huán)等方面為人類提供重要線索.陳泓碩[34]認為，季節(jié)性凍融改變了微生物數(shù)量，尤以凍融后期最大；張寶貴等[35]發(fā)現(xiàn)，隨凍土退化程度增加細菌數(shù)量顯著下降，表明從土壤微生物數(shù)量分布狀況來看，具有顯著的垂直分布特色，尤以表層土壤居多，其存在數(shù)量和土層深度成反相關系[36-37].隨著土壤深度的增加，由季凍土過渡到永凍土，這些土壤中貯藏著大量有機質，易被微生物代謝利用，因而不同土壤深度微生物數(shù)量存在差異.

1.3 不同土地利用方式下土壤微生物數(shù)量變化特征

不同土地利用方式下，土壤理化性質(如容重、孔隙度、酸堿性等)、植被覆蓋類型等存在一定差異，土壤微生物數(shù)量也必然存在一定差異.李曉東[38]經過兩年研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原圍封和放牧兩種土地利用方式下土壤微生物量與土壤水分和生物量顯著相關，與溫度相關性不顯著；彭木等[39]對東北地區(qū)農田、林地和鹽堿草地的土壤分析時發(fā)現(xiàn)，堿斑土中放線菌數(shù)量最高，但真菌數(shù)量低于林地土和農田土，農田土的細菌數(shù)量普遍低于林地土，這與李雪夢[40]在內蒙古的研究結果一致，與在青藏高原發(fā)現(xiàn)的真菌對土地利用方式的響應較細菌敏感結果不同[41].不同土地利用方式會改變土壤結構，土壤結構一旦遭到破壞，便會阻礙土壤微生物的生長繁殖，因此，微生物數(shù)量也存在明顯差異.

1.4 不同地形條件下土壤微生物數(shù)量的變化特征

微生物數(shù)量受多種環(huán)境要素制約，如海拔、坡向等地形因子通過影響該地區(qū)水熱條件，破壞其土壤條件，進而改變微生物數(shù)量，在高海拔地區(qū)，土壤微生物數(shù)量受地形的影響則更為復雜.任佐華等[42]發(fā)現(xiàn)，海拔升高導致溫度降低改變了土壤微生物活性，使海拔與微生物數(shù)量呈顯著負相關，與陳懂懂[43]在青藏高原東緣結論相一致.而于健龍等[44]指出，隨著海拔的升高，微生物數(shù)量呈先增加后降低的趨勢，符合植物群落多樣性的“中間高度膨脹”理論[38].張倩[45]對青藏高原高寒草甸的研究發(fā)現(xiàn):西北坡三種微生物數(shù)量最低，東坡細菌數(shù)最高，南坡真菌和放線菌數(shù)量最高.

2 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結構研究

土壤條件的改變將直接或間接地影響微生物群落結構，進而影響生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定.開展高寒生態(tài)系統(tǒng)微生物群落結構及其對氣候變化的響應，對預測生態(tài)系統(tǒng)的演變過程具有重要意義.

2.1 土壤微生物群落結構對溫度的響應

高寒地區(qū)土壤微生物代謝活性受到溫度的限制，對溫度的響應異常敏感.增溫能夠增加植物的光合作用，增加植物凋落物和根際分泌物[46-47]，進而影響土壤微生物群落結構.國內外學者開展了大量微生物對增溫響應的研究.Deslippe等[48]對北極地區(qū)長達18年增溫實驗發(fā)現(xiàn)，長期增溫能改變微生物群落結構，并導致細菌群落均一度降低，真菌群落均一度增加；Hartley等[49]發(fā)現(xiàn)，溫度升高能夠增加CO2的排放，并引起微生物群落的改變，導致土壤有機碳的丟失；Yergeau等[50]對南極增溫模擬實驗發(fā)現(xiàn)，土壤中細菌和真菌的豐度隨溫度升高呈快速增加趨勢；趙銀[51]對青藏高原高寒草甸的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤溫度對微生物類群具有顯著的負相關作用；Glanville等[52]以北極高寒苔原積雪覆蓋下的植被為對象，對其地下微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落在積雪融化72 h后迅速做出反應.

2.2 土壤微生物群落結構對季節(jié)性變化的響應

在高寒生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物群落結構具有明顯的季節(jié)性差異.相關研究表明，在生長季時，土壤微生物群落以細菌為主[53]，在非生長季時，土壤微生物群落以真菌群落為主[54]；Lipson和Schmidt[55]發(fā)現(xiàn)，土壤細菌群落的結構組成存在明顯的季節(jié)性變化，Schadt等[56]也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，且夏季和冬季尤其不同，此外，受季節(jié)變化這個因素的影響，土壤中存在的細菌和真菌之間的比例也有一定的差異；Nemergut等[57]強調，夏季氣溫較高，植物生長代謝產生大量根際分泌物，加速細菌繁殖，而真菌群落在秋季占主導地位，入冬后，天氣寒冷，為嗜冷微生物的活動提供了條件.

2.3 土壤微生物群落結構對氮沉降和氮濃度的響應

近幾十年來石化燃料燃燒、過度使用化肥等使空氣中含氮化合物等急劇增加，導致大氣氮沉降現(xiàn)象加劇，氮沉降的增加呈現(xiàn)出全球化趨勢[58-59].Deslippe等[60]在高山苔原氣候變暖和大氣氮沉降對土壤微生物影響的模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，施肥導致土壤外生菌根真菌多樣性降低；Nemergut等[61]和Liu等[62]在落基山脈高山苔原以及青藏高原高寒草甸的研究表明，土壤真菌、細菌群落對施肥均有響應；Wessén等[63]利用定量PCR研究發(fā)現(xiàn)，不同類群細菌對氮沉降有不同程度的響應，與Ramirez等[64]研究結果相同；Fierer等[65]認為，氮沉降會改變土壤營養(yǎng)型微生物群落結構.

相關研究者在實際研究過程中發(fā)現(xiàn)，若處于低氮環(huán)境下，從松林外生菌根真菌群落來看，和對照樣地相比有顯著的不足[66]，Compton[67]在研究中同樣發(fā)現(xiàn)，如果土壤施加氮肥，對土壤微生物群落結構會產生一定程度的影響；Deforest等[68]在實際研究中發(fā)現(xiàn)，哈佛森林隨著慢性氮增加，對微生物群落組成以及豐富度等不能產生顯著影響.

3 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物多樣性研究

土壤中生存著數(shù)量巨大、種類繁多、功能活躍的微生物群落，是最豐富的微生物資源庫[69].受高寒生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境條件的影響，土壤微生物通過其多樣性，表現(xiàn)出對該環(huán)境的適應性[70-71].在土壤微生物的研究中，主要就豐度、種屬等方面研究，研究其群落多樣性、遺傳多樣性及功能多樣性[72-74].開展高寒生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性的研究，為有效應對全球氣候變化提供了智力保障.

3.1 土壤微生物群落多樣性研究

土壤微生物群落多樣性反映了群落對外界環(huán)境響應的動態(tài)變化[75]，研究其多樣性能夠為解決森林生態(tài)環(huán)境失衡，原始森林的保護以及利用等提供理論方面的基礎[76].在對土壤微生物群落功能研究時，多樣性是重要指標之一[77]，對明確評價土壤肥力特征具有重要意義.部分學者針對凍土區(qū)、高寒草甸等地區(qū)的土壤進行了研究，分析了其土壤微生物生物群落多樣性，并揭示其變化規(guī)律.伍文憲[78]等采用IlluminaHiseq測序平臺對土壤細菌和真菌進行基因測序發(fā)現(xiàn)，土壤細菌、真菌群落豐富度和多樣性均無明顯差異；Wu等[79]發(fā)現(xiàn)，青藏高原土壤細菌群落多樣性差異顯著；田地等[80]研究發(fā)現(xiàn)，在CO2泄漏量和泄漏時間不同的情況下，農田土壤細菌豐富度和群落多樣性均存在差異.

3.2 土壤微生物遺傳多樣性研究

土壤微生物系統(tǒng)具有豐富的遺傳多樣性，較高的遺傳多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵.其多樣性來自微生物本身，一方面與其多樣化的遺傳信息有關，另一方面與其自身的遺傳物質有關[81].Long等[81]在青藏高原土壤原油降解菌的研究中，獲取了53種微生物以及與其相對應的94種降解酶基因，與極低環(huán)境和海洋環(huán)境相比，其降解酶基因多樣性有一定不足；盧曉飛[82]利用同源克隆、pUC19質粒文庫克隆、Fosmid文庫等方法得到75條新絲氨酸蛋白酶基因片段、7條新類蛋白酶基因片段、2個新蛋白酶基因序列；李春楠等[83]對不同種植地和發(fā)育時期的水稻根際土壤微生物研究發(fā)現(xiàn)，遺傳距離差異極顯著，但不同品種水稻差異不顯著.與高等動物相比，不同微生物所攜帶遺傳物質差異很大[84].

3.3 土壤微生物功能多樣性研究

土壤微生物在功能上具有多樣性，與其群落執(zhí)行功能的范圍有直接的關系，如針對植物生長的有效調控功能等[84].近年來，國內外研究主要集中在對土壤微生物功能多樣性對環(huán)境變化及人為干擾的響應，而有關不同植被類型土壤微生物群落功能多樣性的研究較少[85-86].有研究表明，與原生態(tài)地或自然恢復地相比，經過人工種植之后，其土壤微生物功能多樣性更為顯著，這說明人工種植能對植被多樣性以及蓋度等產生一定程度的促進作用[87]；韓冬雪等[88]發(fā)現(xiàn)，碳水類、氨基酸類碳源等充分利用，對土壤微生物功能多樣性產生顯著影響；也研究表明，森林火災能增加土壤真菌的功能多樣性，降低細菌功能多樣性[89]，但受災樣地的土壤真菌功能多樣性指數(shù)都比未燒區(qū)高[90]，這說明火災過后真菌能很快恢復活力，對災后森林恢復有著潛在的重要性[91].

4 研究展望

微生物是生物化學循環(huán)系統(tǒng)中的重要驅動者，其群落結構影響著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.目前，對高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的研究集中在微生物數(shù)量、群落結構與多樣性為中心的基本技術體系，在深度和廣度上都打破了對細菌、真菌以及放線菌等的傳統(tǒng)認知，著重于土壤養(yǎng)分的轉化等方面的過程.在微生物的數(shù)量、群落結構及其多樣性等方面取得了長足發(fā)展，在應對全球氣候變化與環(huán)境修復等方面也成效顯著[92-93]，但和歐美等國家相比，仍存在一定程度的差距.全球變化背景下，未來高寒區(qū)土壤微生物研究將面臨以下挑戰(zhàn):第一，高寒、缺氧、紫外線強等環(huán)境條件，對開展高寒地區(qū)相關研究帶來了極大困難；第二，維持高寒生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性及其對氣候變化起調節(jié)作用的關鍵微生物種類；第三，凍融交替時土壤有機質轉化過程中微生物群落結構演變過程；第四，高寒區(qū)土壤微生物的研究還局限在傳統(tǒng)的技術手段，技術滯后制約了其發(fā)展.為解決上述科學問題，可考慮采納以下建議:

(1)隨著高海拔地區(qū)土壤微生物研究的不斷發(fā)展，學者之間、研究機構之間學術合作交流日益密切，通過相互之間的合作交流，能夠有效拓展研究的范圍和深度，同時也能促進新技術的研發(fā).

(2)作為氣候變暖的敏感區(qū)，以高寒地區(qū)為對象，揭示其對氣候變化的影響，一方面對陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能會產生影響，同時也對人類生產、生活產生影響.最大程度發(fā)揮微生物群落在環(huán)境修復中的作用仍是當下研究的重點.可考慮建立野外長期定位觀測站，觀測、模擬氣候變化規(guī)律，揭示土壤微生物群落對溫度、大氣氮沉降、CO2濃度的響應，同時揭示其對全球氣候變化所產生的響應以及反饋機制.此外，野外模擬試驗需要考慮氣候變化的真實情況，對多個環(huán)境因子的綜合影響和耦合作用加以深入系統(tǒng)研究，揭示受微生物群落的影響，在全球變暖過程中揭示了前者對后者所產生的調節(jié)功能，以及所產生的適應機制[94].

(3)高寒區(qū)凍融交替過程中，伴隨著有機質轉化，土壤凍結、融化過程對有機質分解速率產生影響，同時，土壤微生物群落結構在有機質轉化過程中也發(fā)生變化，今后可融合分子生物學、同位素標記等技術深入分析凍融交替演變過程對土壤微生物結構及功能的影響.

(4)新一代分子生物技術日漸革新，在未來研究中需綜合應用高通量測序、穩(wěn)定同位素探測(SIP)、基因芯片等新興技術手段，以消除傳統(tǒng)研究技術固有的偏差，對探索發(fā)現(xiàn)新的微生物過程機理具有里程碑意義.