干旱和濕潤地區(qū)森林土壤微生物群落對降水改變的不同響應

陳曉琳，吳福忠,2，岳楷,2，倪祥銀,2*

（1.福建師范大學 a. 地理科學學院，b. 濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福州 350117；2. 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，福建 三明 365002）

森林土壤中蘊藏著極其豐富的微生物群落，它們對于支撐森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學過程至關(guān)重要[1]。在氣候變暖的趨勢下，極端干旱和降雨天氣的增加都會改變土壤水分的可利用性[2-3]，進一步影響土壤微生物生物量和群落組成[4-5]。因此，探究降水改變對森林土壤微生物群落的影響，對預測未來全球氣候變化背景下森林土壤微生物群落變化及其介導的生物地球化學過程具有重要意義。不同的土壤微生物類群對外界脅迫有著不同程度的耐受性和生理代謝活動[6]，使其對降水改變引起的土壤水分變化產(chǎn)生差異性響應[7]。例如，真菌擁有能調(diào)節(jié)滲透壓的溶質(zhì)和能夠觸及基質(zhì)的菌絲，通常被認為比細菌更能承受干旱脅迫[8-9]。也有研究指出，細菌對外界脅迫有較強的恢復力[6]。例如，革蘭氏陽性菌擁有堅固的肽聚糖細胞壁，對干旱環(huán)境有較強的耐受性[10]。降水改變對微生物群落影響的方向和程度還取決于當?shù)氐母蓾駰l件[9]。增加降水使微生物代謝和酶活性增強，有利于微生物生物量的增加。但對于干旱地區(qū)而言，增加降水造成的土壤水勢變化也可能使微生物細胞受到滲透沖擊而消融[11]；減少降水則會影響干旱地區(qū)植物的活性，不利于真菌共生體存活導致土壤真菌生物量降低[12]。盡管目前已有關(guān)于降水變化影響土壤微生物生物量的研究[3,13]，但對于微生物群落如何響應降水改變以及這些響應在不同的干濕條件下有何差異仍存在較大的不確定性[14-15]。此外，土壤微生物群落對降水變化的響應還可能受降水處理、氣候條件和土壤因子的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，高強度的降水可能會降低土壤含氧量，進而抑制微生物活性[13]；由于高溫對土壤不穩(wěn)定基質(zhì)和土壤濕度的負面影響，更高的年均溫度可能會降低微生物對降水改變的響應[13]；而較高濃度的土壤養(yǎng)分可能在一定程度上緩和降水減少造成的微生物內(nèi)部水勢變化，以避免其脫水和死亡[5]。然而，不同干濕條件下微生物群落對降水變化的響應主要受什么因素的調(diào)控，仍需要進一步研究。因此，基于磷脂脂肪酸（PLFAs）生物標志物的方法，分析了全球森林土壤微生物群落對降水改變的響應及其在干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)之間的差異。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

通過Web of Science和中國知網(wǎng)收集2021年10月之前發(fā)表的經(jīng)過同行評議的期刊論文。Web of Science數(shù)據(jù)庫檢索的關(guān)鍵詞為“altered/increased/decreased precipitation”“water reduction/addition”“drought”和“PLFA”“phospholipid fatty acid”“microbial community”“microbial biomass”和“forest”。中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫檢索的關(guān)鍵詞為“土壤微生物”和“降雨、降水、干旱、減少降水”和“森林”。

檢索的文獻按以下標準進行篩選：1）通過磷脂脂肪酸（PLFAs）法而不是氯仿熏蒸法測定的微生物生物量；2）只收集森林土壤的數(shù)據(jù)，其他生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未納入數(shù)據(jù)集；3）所有數(shù)據(jù)必須嚴格配對，即對照與增加降水或減少降水；4）對于多因子處理實驗，只選取對照與降水處理，其他因子未納入數(shù)據(jù)集。共篩選出27篇文獻，共有來自23個實驗點的109對配對數(shù)據(jù)（表1）。

對于每項研究，提取處理組和對照組的平均值、標準差（SD）和樣本量。如果只有標準誤（SE），則用公式計算出標準差。當數(shù)據(jù)以圖的方式呈現(xiàn)時，使用GetData軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化以提取數(shù)值。同時，提取出降水處理（增加降水或減少降水、降水改變的強度和持續(xù)時間）、地理信息（緯度、經(jīng)度）、氣候因子（年均降雨量（MAP）、年均氣溫（MAT））和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）的數(shù)據(jù)。

此外，還利用世界氣象組織提供的數(shù)據(jù)庫計算了各研究地點采樣年份的帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）[14]。根據(jù)計算得到的PDSI值區(qū)分干旱或濕潤地區(qū)，PDSI值大于0的實驗點為濕潤地區(qū)，小于0的為干旱地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

使用效應值（RR）來評估森林土壤微生物群落對降水改變的響應，并計算加權(quán)效應值（RR++）[34]。

表 1 文獻中的實驗地點信息Table 1 Experimental site information in the literature

為了判定降水處理對土壤微生物群落的影響是否具有顯著性，采用Metawin軟件的隨機效應模型來計算平均效應值和經(jīng)過999次迭代計算的95%Bootstrap置信區(qū)間。如果置信區(qū)間沒有跨越0（均為正值或負值），則認為這種響應具有顯著性差異（P<0.05），反之則不顯著。另外，通過下面公式把平均效應值轉(zhuǎn)化為百分數(shù)：

[e（RR++）-1]×100%

本研究使用Wilcoxon秩和檢驗分析干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)土壤微生物PLFAs的加權(quán)效應值之間的差異顯著性。采用偏最小二乘（PLS）回歸模型來獲得干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)降水處理（降水改變的強度、持續(xù)時間）、氣候因子（年均降雨量、年均氣溫、帕爾默干旱指數(shù)）和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）這9個變量的變量重要性值（VIP）。變量重要性值被用來評估這些變量對總PLFAs效應值的影響強度和解釋能力，當VIP值大于1表示影響顯著（P<0.05）。采用一般線性模型檢驗土壤總PLFAs的效應值與其主要的調(diào)控變量之間的相關(guān)性。統(tǒng)計檢驗的顯著性水平為0.05。利用SIMCA14.1和R4.0.2進行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤微生物群落對降水改變的響應

注：誤差線代表經(jīng)過999次迭代計算的95%Bootstrap置信區(qū)間。圖中虛線表示平均效應值為0。右側(cè)括號內(nèi)的數(shù)字表示樣本量。 圖2同。圖 1 森林土壤微生物群落對增加降水（a）和減少降水（b）的響應Figure 1 Responses of the microbial community to elevated （a） and decreased（b） precipitation in forest soils

圖 2 干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)森林土壤微生物群落對增加降水（a）和減少降水（b）的不同響應Figure 2 Differential responses of microbial communities in forest soils to elevated（a） and decreased（b） precipitation between arid and humid areas

增加降水使真菌、細菌和總PLFAs分別顯著增加22%、33%和30%，使革蘭氏陽性菌/陰性菌比值顯著降低4%，但對真菌/細菌比值、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌PLFAs均沒有顯著影響（圖1a）。減少降水使真菌和總PLFAs分別顯著降低18%和8%，使革蘭氏陽性菌/陰性菌比值顯著提高6%，但對細菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌PLFAs和真菌/細菌比值均沒有顯著影響（圖1b）。

2.2 干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)之間的差異

真菌、細菌和總PLFAs對降水改變的響應在干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)具有差異（圖2）。增加降水顯著增加了濕潤地區(qū)和干旱地區(qū)的總PLFAs、濕潤地區(qū)的真菌PLFAs、干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的細菌PLFAs，對濕潤地區(qū)森林土壤真菌、細菌和總PLFAs的影響均大于干旱地區(qū)，其中干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)真菌PLFAs對增加降水的響應有顯著差異（P=0.047）（圖2a）。

減少降水顯著降低了干旱地區(qū)森林土壤真菌PLFAs，且在干旱地區(qū)的影響顯著大于濕潤地區(qū)（P=0.010），但對細菌和總PLFAs的影響不明顯（圖2b）。

2.3 干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)土壤微生物群落響應的調(diào)控因素

2.3.1影響干旱地區(qū)總PLFAs響應的重要因素

PLS模型結(jié)果表明，在增加降水的處理下，干旱地區(qū)總PLFAs的響應在很大程度上取決于土壤碳含量、年均氣溫、年均降雨量、土壤pH值和土壤氮含量（圖3a）；其中增加降水強度和年均氣溫均與總PLFAs的效應值呈負相關(guān)（P>0.05）（圖3b～圖3c）。在減少降水的處理下，干旱地區(qū)總PLFAs的響應很大程度上取決于年均降雨量、年均氣溫和減少降水的強度（圖3d）；總PLFAs的效應值與年均降雨量正相關(guān)（P<0.05），與年均氣溫負相關(guān)（P<0.05）（圖3e～圖3f）。

2.3.2 影響濕潤地區(qū)總PLFAs響應的重要因素

PLS模型結(jié)果表明，濕潤地區(qū)總PLFAs對降水改變的響應很大程度上取決于降水改變的強度（圖4）。在增加降水的處理下，濕潤地區(qū)總PLFAs的響應主要受增加降水的強度和土壤碳氮比的影響（圖4a），隨著增加降水強度的上升，總PLFAs的效應值顯著下降（P<0.05）（圖4b）；在減少降水的處理下，濕潤地區(qū)總PLFAs的響應很大程度上取決于減少降水的強度、帕爾默干旱指數(shù)和土壤碳氮比（圖4c）；總PLFAs的效應值與減少降水的強度呈正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與帕爾默干旱指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系（P<0.05）（圖4d～圖4e）。

注：（a,b,c） 影響增加降水處理下總PLFAs響應的重要變量，（d,e,f） 影響減少降水處理下總PLFAs響應的重要變量。Intensity，降水改變的強度；Duration，處理持續(xù)時間；PDSI，帕爾默干旱指數(shù)；MAP，年均降雨量；MAT，年均氣溫；pH，土壤pH值；N，土壤氮含量；C，土壤碳含量；C/N，土壤碳氮比；根據(jù)修正后的Akaike信息標準估計變量重要值，深色變量（VIP>1）表示影響顯著（P<0.05）。R值為皮爾遜相關(guān)系數(shù)的大小，即兩個變量共變性的程度；P值表示擬合結(jié)果的顯著性，P<0.05時表示顯著相關(guān)；陰影為95%置信區(qū)間。下同。圖 3 影響干旱地區(qū)總PLFAs對降水變化響應的重要變量Figure 3 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in arid areas

注：（a,b） 影響增加降水處理下總PLFAs響應的重要變量，（c,d,e） 影響減少降水處理下總PLFAs響應的重要變量。圖 4 影響濕潤地區(qū)總PLFAs對降水變化響應的重要變量Figure 4 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in humid areas

3 討論

森林土壤微生物群落對增加降水和減少降水有不同方向和程度的響應主要有以下幾方面的原因。第一，增加降水會提高土壤中溶質(zhì)的可利用性，為微生物生長和繁殖提供了可利用的養(yǎng)分[35]。本研究發(fā)現(xiàn)增加降水顯著提高了真菌、細菌和總的PLFAs（圖1a），進一步證實了上述觀點。第二，減少降水降低了總PLFAs和真菌PLFAs，卻沒有對細菌PLFAs產(chǎn)生顯著影響（圖1b）。這與真菌比細菌具有更高耐旱性的已有認識不同[10]。也有研究表明，干旱對真菌的影響大于細菌[8,14]。這可能是細菌有一定的抗旱性，干旱對細菌的影響僅存在于屬的水平[14]。在干旱條件下活躍的細菌占據(jù)了主導地位，比如革蘭氏陽性菌，進而緩沖干旱所帶來的負面影響[9,15]。第三，增加降水和減少降水并沒有改變真菌/細菌比值，這與Zhang等[36]進行的4年增雨實驗和Cregger等[12]進行的短期干旱實驗結(jié)果相同。由于微生物群落組成對降水改變的適應，微生物對短期的干旱和相對濕潤的條件都有一定的自我調(diào)節(jié)能力[37]。

森林土壤微生物群落對降水改變的響應很大程度上受區(qū)域干濕條件的影響：增加降水對濕潤地區(qū)的土壤微生物群落影響更大，減少降水對干旱地區(qū)的土壤微生物群落影響更大（圖2）。土壤微生物有很強的自我調(diào)節(jié)機制，能通過調(diào)節(jié)自身代謝來適應土壤水勢變化[2]，但由于干旱地區(qū)土壤的濕度較低，增加降水給土壤帶來的重濕潤過程會造成水勢的快速變化，引起細胞破裂[11]。同時，由于微生物在干旱時期會進入休眠狀態(tài)，在增加降水后，土壤微生物對增加降水的積極響應也有所延遲[38]，因而森林土壤PLFAs對增加降水的正響應在濕潤地區(qū)比干旱地區(qū)更加明顯（圖2a）。增加降水并沒有增加干旱地區(qū)的土壤真菌PLFAs，這可能是由于真菌沒有堅硬的細胞壁來抵抗水勢的快速變化[2]。減少降水對干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)土壤總PLFAs均沒有顯著影響，且在濕潤地區(qū)，隨著減少降水的強度增大，微生物的負面響應反而減?。▓D4d）。這可能是由于土壤濕度的輕微變化沒有達到微生物的耐受閾值[24]，也可能是由于真菌和細菌的內(nèi)部競爭減小[37]，一定程度上緩解了減少降水帶來的負面影響。減少降水使微生物在高水勢下啟動生理適應策略，包括碳分配（更少用于繁殖，更多用于生存），合成大量可溶性有機物以降低滲透壓，休眠和分泌胞外酶等，嚴重時還會導致細胞脫水死亡[2]。在減少降水的處理下，干旱地區(qū)的微生物相對于濕潤地區(qū)會有更高的水勢，因此可能造成更多的微生物脫水死亡。此外森林土壤的微生物群落組成在一定程度上受土壤pH值的影響，降水的減少可能會提高土壤pH值[39]，不利于微生物（尤其是真菌）的生存[40]。同時，干旱地區(qū)土壤長期缺水還會導致根系死亡率和銨鹽的增加，都會抑制真菌生長[41]，因而減少降水對干旱地區(qū)真菌PLFAs的影響顯著大于濕潤地區(qū)（圖2）。

本研究還發(fā)現(xiàn)，森林土壤總PLFAs對降水改變的響應同時受到降水改變的強度、氣候和土壤因子的調(diào)控，且在干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)表現(xiàn)出明顯的差異。干旱地區(qū)主要受氣候因子的影響，包括年均氣溫和年均降水量。從全球尺度上看，溫度并不是影響土壤微生物生物量地理分布格局最顯著的預測因子，溫度可能通過影響蒸散和分解速率間接影響微生物生物量[42]，較低的氣溫不利于森林凋落物的分解和土壤水分的蒸散。因此對于缺水的干旱地區(qū)來說，較低的氣溫可能有利于增加降水處理下土壤對水分的保存并降低降水減少的負面影響。年均降雨量與土壤PLFAs響應之間的關(guān)系可能間接地來源于植物凋落物輸入對年均降雨量變化的響應。由于地上凈初級生產(chǎn)力對降水改變的敏感性與年均降雨量負相關(guān)[43]，土壤微生物因此受到基質(zhì)可利用性的限制。濕潤地區(qū)總PLFAs對降水改變的響應主要受降水改變強度的影響，總PLFAs響應值與增加降水的強度之間呈負相關(guān)關(guān)系，與減少降水的強度呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于濕潤地區(qū)本來就有較高的土壤含水量，高強度的降水導致土壤可用的孔隙空間被填充，降低了需氧微生物生長所必需的氧氣水平[44]。相反，一定程度的干旱可能會減少微生物的內(nèi)部競爭，有利于微生物的生長[37]。濕潤地區(qū)總PLFAs的效應值與PDSI之間的負相關(guān)關(guān)系說明，高濕度地區(qū)的微生物對降水減少更為敏感，可能造成微生物生物量的減少[13]。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)增加降水顯著增加了森林土壤的真菌、細菌和總PLFAs，減少降水顯著降低了真菌和總PLFAs。土壤PLFAs的響應在不同干濕條件下有所區(qū)別，具體表現(xiàn)為增加降水在濕潤地區(qū)的影響更大，而減少降水在干旱地區(qū)的影響更大。此外，降水改變的強度、氣候和土壤因子共同驅(qū)動著森林土壤微生物群落對降水改變的響應，它們的重要性在干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)存在很大差異。因此，在評估降水改變對土壤微生物群落的影響時，需進一步評估當?shù)氐母蓾駰l件，結(jié)合當?shù)亟邓淖兊膹姸?、氣候條件、土壤因子，以分離干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)森林土壤微生物群落對降水改變的差異性響應，更加清晰地認識全球變化情景下土壤微生物介導的生物地球化學過程。