農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮研究進(jìn)展

廖洪凱

(貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550001)

0 引言

氮素是合成生命聚合物-核酸和蛋白質(zhì)的基本構(gòu)成要素[1]，在土壤環(huán)境中，作為限制植被生長(zhǎng)的重要影響因素，氮素僅次于水分因子[2]。由于植物不能直接吸收大氣中的氮素，需通過微生物的固氮酶(nitrogenase)將大氣中的N2轉(zhuǎn)化成NH3才能被吸收和利用，故固氮作用是生物圈中非常重要的反應(yīng)之一。有研究顯示，對(duì)未經(jīng)施肥管理的陸生生態(tài)系統(tǒng)，生物固氮是氮輸入的最重要途徑[3]，而超過97%的自然氮輸入又主要來自細(xì)菌和古菌這2類微生物的固氮貢獻(xiàn)[3-5]。

目前，生物固氮大致可劃分為共生固氮和非共生固氮(聯(lián)合固氮、自由生活細(xì)菌固氮)。由于生物固氮要打開元素氮的三重鍵并隔絕氧氣，每個(gè)氮?dú)夥肿颖贿€原時(shí)需耗費(fèi)大量的能量(16個(gè)ATP和8個(gè)電子)[6]，為此，一些研究者對(duì)此進(jìn)行了研究。Knorr等[7]發(fā)現(xiàn)，在共生固氮體系中，將固氮微生物與豆科植物根系形成互利互惠的根瘤結(jié)構(gòu)，微生物可獲得較高的能量將N2還原成NH3；Peoples等[8]發(fā)現(xiàn)，豆科植物的總固氮量可占到總生物固氮的80%以上。然而，不是所有的植被種群都能獲取到由豆科植物所固定的氮素，Reed等[3]研究顯示，增加非共生微生物的氮素固定潛能，有利于氮素匱乏的陸生生態(tài)系統(tǒng)。如Yeoh等[9]發(fā)現(xiàn)，在水稻、甘蔗等植物根際，聯(lián)合固氮微生物的固氮作用也十分強(qiáng)烈，甘蔗的根際微生物可固定N 100 kg hm-2y-1。可見，在某些特定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，非共生固氮微生物也具有較大的氮?dú)夤潭撃?。鑒于此，本研究統(tǒng)計(jì)、分析相關(guān)文獻(xiàn)，以期為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中生物固氮的研究提供參考。

1 土壤環(huán)境因子對(duì)非共生固氮的影響

1.1 土壤中鉬(Mo)和磷(P)元素的影響

土壤固氮酶由2種亞單元金屬蛋白構(gòu)成，第一種包含了由nifD和nifK基因編碼的異二聚體活性位點(diǎn)還原氮?dú)?；第二種是由nifH基因編碼的固氮酶還原酶[10]。Zehr等[6]研究顯示，目前，土壤固氮酶基因(尤其是nifH基因)數(shù)據(jù)庫是最大的非核糖體基因數(shù)據(jù)庫之一。由于nifH基因的系統(tǒng)發(fā)育特征與16S rRNA具有顯著的一致性，以致nifH基因成為研究不同生態(tài)系統(tǒng)背景生物固氮作用的理想標(biāo)識(shí)物。

1.2 土壤基礎(chǔ)理化因子對(duì)非共生固氮的影響

土壤具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，在較小的空間尺度下也會(huì)導(dǎo)致土壤微生物群落及其功能產(chǎn)生巨大的差異，這是因?yàn)橥寥拦痰⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)活性、多樣性及其結(jié)構(gòu)受多種土壤理化特性(土壤pH、土壤水分、團(tuán)聚體組成等)制約。其中，pH對(duì)土壤微生物群落的分布影響最大。如Shen等[20]對(duì)山地生態(tài)系統(tǒng)微生物群落分布特征的研究顯示，pH是影響土壤微生物群落沿海報(bào)梯度分布的決定性因素。Roper等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤pH在7～7.5時(shí)，土壤固氮微生物活性最高，超出該范圍時(shí)，固氮酶的活性就會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，Nelson等[22]研究表明，施入石灰后，土壤pH的升高明顯改變了小麥根系微生物固氮微生物的群落結(jié)構(gòu)。Teng等[23]對(duì)我國(guó)南方紅壤地區(qū)不同pH梯度的玉米地研究也證實(shí)，pH的差異明顯地改變了土壤固氮微生物的群落結(jié)構(gòu)，施肥和添加石灰的共同作用也驅(qū)動(dòng)了微生物群落結(jié)構(gòu)的演替。

水分是影響非共生固氮過程的調(diào)節(jié)閥，增加土壤的可利用水分，生物固氮作用可進(jìn)一步增強(qiáng)[3]。為此，有研究者預(yù)測(cè)，隨著全球氣候的變化，未來降水形式的改變可能會(huì)對(duì)全球生物固氮的速率產(chǎn)生重要影響，尤其是在極端干旱地區(qū)，水分含量的微小波動(dòng)也可導(dǎo)致土壤固氮的速率大幅度改變[24]。水田生態(tài)系統(tǒng)的干濕交替過程伴隨著土壤水分及土壤氧氣狀況的動(dòng)態(tài)變化，是研究固氮微生物響應(yīng)水分動(dòng)態(tài)的土壤水分動(dòng)態(tài)變化的理想模型，Das等[25]研究表明，在淹水水田中，固氮微生物活性顯著加強(qiáng)，說明在水稻種植過程中，干濕交替時(shí)好氧和厭氧過程對(duì)固氮酶活性有著重要影響。Ferrando等[26]研究表明，水田淹水后，水分條件的變化顯著改變了水稻根系內(nèi)生固氮菌的多樣性。

此外，土壤生物固氮不是土壤基礎(chǔ)理化因子單個(gè)作用影響，而是多種因子共同作用影響。土壤氧氣的可利用性作為主要控制因子和進(jìn)化動(dòng)力決定了微生物的代謝策略，這是緣于固氮過程是一個(gè)酶促化過程， 土壤中的O2可抑制固氮酶的活性，進(jìn)而影響土壤的非共生固氮速率。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤肥力的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。Izquierdo等[27]研究顯示，不同粒徑的團(tuán)聚體中的nifH基因庫組成存在不同程度的顯著性差異，這說明土壤微環(huán)境可明顯區(qū)分固氮微生物的數(shù)量。Poly等[28]研究表明，土壤在宏觀尺度(不同類型土壤)及微觀尺度(土壤團(tuán)聚體)上均可改變土壤固氮微生物群落結(jié)構(gòu)，土壤中碳、氮含量可影響不同粒徑的團(tuán)聚體非共生固氮微生物nifH基因庫的群落結(jié)構(gòu)。由此可見，土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)受土壤氧氣含量及碳庫質(zhì)量影響較大。另外，土壤固氮作用還是一個(gè)需要耗費(fèi)大量ATP的微生物過程，因此，碳源質(zhì)量及其生物有效性能夠顯著影響土壤固氮作用。目前已有大量研究證實(shí)不同團(tuán)聚體內(nèi)部碳組分存在較大差異，諸如大團(tuán)聚體中存在較多的“新”碳，該部分碳易被微生物利用，微團(tuán)聚體中存在較多的“老”碳，這部分碳與土壤礦物結(jié)合更緊密，不易被微生物利用分解。Wakelin等[29]研究顯示，土壤顆粒有機(jī)碳組分(如顆粒有機(jī)碳POC)與固氮微生物的遺傳多樣性有較強(qiáng)的相關(guān)性。可見，土壤團(tuán)聚體內(nèi)部不同形態(tài)碳的生物可利用性也能夠在很大程度上控制生物固碳的速率。

除上述土壤理化因子外，土壤氮素有效性[22]、電導(dǎo)率[30]等因素也在不同程度上影響了土壤非共生固氮作用。

2 農(nóng)業(yè)管理方式對(duì)非共生固氮的影響

2.1 施肥模式

2.2 管理方式

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，管理者主要是通過影響土壤結(jié)構(gòu)、地上生物量的釋歸及不同作物混合種植等方面去調(diào)控土壤微生物量、群落組成及其功能。Hsu等[38]研究顯示，土壤固氮微生物群落結(jié)構(gòu)受地上生物量管理及耕作模式的共同影響。與傳統(tǒng)耕作模式相比，免耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞較小，且為土壤微生物營(yíng)造了不受干擾的土壤環(huán)境，對(duì)減少土壤養(yǎng)分的流失、調(diào)節(jié)溫室氣體的排放有積極作用。早期，Lamb等[39]研究顯示，免耕土壤非共生固氮潛力是傳統(tǒng)翻耕土地的2倍。Liu 等[40]通過近20 a長(zhǎng)期的定位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在免耕基礎(chǔ)上的策略性耕作可進(jìn)一步增加土壤固氮基因的豐度，地上部分生物量的釋歸和填閑耕作(catch crop)能夠明顯激發(fā)土壤氮素的固持。Keuter等[41]在比較1次/a和3次/a溫帶草地修剪對(duì)土壤固氮作用的影響發(fā)現(xiàn)，3次/a草地修剪明顯刺激了土壤固氮的速率。2010年，Constantin等[42]研究表明，填閑耕作是增加土壤氮素的固存和減少氮素的淋失的雙贏策略，同時(shí)其在減少氮素淋失方面的作用也比免耕效果好?？梢?，在土壤的地上部分間作不同種類[35]、不同品種的農(nóng)作物[43-44]能夠影響到土壤非共生固氮的作用強(qiáng)度，而不同農(nóng)作物種類影響固氮微生物的機(jī)制主要是根系分泌物及地上部分。

2.3 土地利用方式

近年來，人口增長(zhǎng)和糧食矛盾日益凸顯，大量的自然林地、草原等被轉(zhuǎn)化為耕地，原生態(tài)景觀被改變的同時(shí)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征也被重新塑造[45]。然而，現(xiàn)階段大多的研究卻均集中在細(xì)菌或者真菌群落對(duì)土地利用方式的響應(yīng)研究上，而土壤功能微生物(如固氮群落微生物)對(duì)土地利用方式的響應(yīng)研究相對(duì)較少。Mirza等[4]通過對(duì)亞馬遜森林改為牧場(chǎng)后的研究，發(fā)現(xiàn)固氮微生物群落多樣性及均一性在天然林、次生林及牧場(chǎng)3種土地利用方式中雖沒有變化，但其群落組成、nifH功能基因豐度卻發(fā)生了明顯改變，尤其是牧場(chǎng)nifH基因豐度最高。高強(qiáng)度干擾模式可能增加土壤nifH固氮基因的豐度。這可能是固氮微生物響應(yīng)牧場(chǎng)植被群落高需求的氮素供應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)，相反，森林生態(tài)系統(tǒng)有穩(wěn)定氮源，故而放緩了從土壤微生物獲取氮源的需求。另一方面，土地利用對(duì)土壤固氮微生物沒有明顯影響，土壤理化性質(zhì)、微生物群落特征才是決定nifH固氮微生物的重要影響因子。由此可見，在某些情況下，分析土壤理化因子比土地利用類型更能反映土壤微生物及功能群落特征[46-47]。

3 氣候變化對(duì)非共生固氮的影響

目前，CO2濃度升高及全球氣候變暖是全球變化生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)，大多認(rèn)為溫室氣體排放是造成全球氣候變化的原因，據(jù)IPCC(2007)預(yù)測(cè)，本世紀(jì)末，全球平均溫度將由1.4 ℃上升至5.8 ℃。由于全球氣溫升高能夠加速土壤有機(jī)碳的分解，影響氮、碳平衡，故在一定程度上可改變植物群落組成乃至整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能。鑒于土壤固氮是一個(gè)酶促化過程，因此，在不考慮其他影響因素的情況下，N2固定潛力會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，在最適溫度(25 ℃)后降低，可見，全球氣候變暖的大背景會(huì)對(duì)土壤固氮作用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。Santos等[48]對(duì)珊瑚礁固氮微生物的研究證明，溫度升高nifH/16s rDNA的比值增加，且隨著溫度的逐漸增加，固氮微生物豐度、多樣性也一并增加。Walker等[49]對(duì)北極苔原生態(tài)系統(tǒng)的研究顯示，升溫明顯改變了nifH基因的豐度，樣點(diǎn)的地理位置是決定固氮微生物群落多樣性的重要因素。Das等[25]在對(duì)水田生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮的研究中也證實(shí)溫度升高可刺激固氮作用強(qiáng)度。

由于CO2濃度的升高易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)氮傾向匱乏，故陸生生態(tài)系統(tǒng)地表生物量需要更強(qiáng)土壤固氮作用的補(bǔ)充。CO2濃度的升高能夠增加易被微生物利用的碳含量，可為土壤固氮微生物提供穩(wěn)定碳源，提高土壤固氮作用強(qiáng)度，增加土壤可利用性N含量。Hungate等[50]對(duì)森林非共生固氮的研究也證實(shí)了固氮微生物CO2濃度升高能夠增強(qiáng)土壤固氮作用。然而，隨著研究的不斷深入，又發(fā)現(xiàn)與其他影響固氮因素相比，CO2濃度升高較施肥或者土壤類型的小，如：氮肥施入比CO2濃度升高對(duì)土壤固氮微生物群落結(jié)構(gòu)影響更強(qiáng)、長(zhǎng)期CO2濃度升高對(duì)土壤固氮微生物的作用較土壤類型影響小等等。

4 結(jié)語

綜上可見，影響農(nóng)業(yè)土壤非共生固氮的因素雖復(fù)雜多樣，且受時(shí)間、空間尺度的共同制約，但仍具有較大的氮素固定潛能。為此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為還可從新技術(shù)的應(yīng)用(結(jié)合15N2-DNA-SIP同位素標(biāo)記技術(shù)獲取根系及原狀土壤活性的固氮微生物，但這項(xiàng)技術(shù)與13CO2-DNA-SIP技術(shù)相比有一定的困難)和不同研究角度(增加非共生固氮的樣本量,擴(kuò)大共生固氮混合種植,如豆科和非豆科農(nóng)作物,大規(guī)模采集樣品分析不同區(qū)域的共性,差異性及聯(lián)合固氮作用是否對(duì)共生固氮有抑制作用)等方面進(jìn)一步研究農(nóng)業(yè)非共生固氮的影響因素及其作用機(jī)制。