土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征對微生物碳利用效率的影響機(jī)制

朱 婧, 劉 鼎, 王 珊, 黃祚水, 梁建宏

(1.珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范大學(xué))， 廣西 桂林 541006； 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 廣西 桂林 541006； 3.中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004； 4.自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004； 5.自然資源部 巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

土壤功能涵蓋基于土壤的環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)服務(wù)的各個(gè)方面，主要包括：生產(chǎn)生物質(zhì)、涵養(yǎng)過濾飲用水、儲存和循環(huán)養(yǎng)分、作為生物的棲息地保持物種多樣性以及作為全球最重要的碳庫之一調(diào)節(jié)全球碳(C)循環(huán)[1]。土壤碳存儲和固持不僅是土壤質(zhì)量和肥力的重要特征之一，也對控制大氣二氧化碳(CO2)濃度、延緩氣候變化具有決定性作用[2]。由于土壤碳庫可以提供多種生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)，尤其是在緩解氣候變化和促進(jìn)糧食安全方面的重大作用，維持和增加全球土壤碳庫不僅是科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)，國際和國家層面對此也極為重視。例如，2015 年的巴黎聯(lián)合國氣候變化大會COP21發(fā)起的“千分之四”國際倡議(4‰ initiative: soils for food security and climate；全球土壤增碳計(jì)劃)[3]，表明土壤在糧食安全和氣候變化方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，在氣候變化背景下，掌握土壤有機(jī)質(zhì)存儲和分解的控制機(jī)理及其對人為干擾和全球變化的響應(yīng)非常重要。

土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中至關(guān)重要。異養(yǎng)土壤微生物(細(xì)菌、真菌和古生菌)通過轉(zhuǎn)化植物輸入的、外源添加的及土壤固存的有機(jī)質(zhì)來獲取土壤微生物維持和生長的養(yǎng)分和能量[4-5]，決定了生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力(NPP)轉(zhuǎn)化為碳儲量的效率。研究表明，土壤微生物殘?bào)w和分泌物可能貢獻(xiàn)了高達(dá)80%的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳[6-7]。異養(yǎng)微生物一方面分解有機(jī)碳使其礦化，另一方面同化有機(jī)碳合成自身生物量，微生物殘?bào)w提升了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性[8]，加上對土壤有機(jī)碳的體外修飾作用，共同形成了土壤微生物源碳——“微生物碳泵”機(jī)制”[9-10]，這些過程的平衡決定土壤碳儲量。而多種環(huán)境條件對微生物群落的結(jié)構(gòu)和生理活性產(chǎn)生影響，使上述平衡發(fā)生改變，進(jìn)而影響碳儲量[11]。碳利用效率(carbon use efficiency, CUE)在20世紀(jì)初作為評估純菌同化底物效率的生理指標(biāo)被提出[12]，而后其概念擴(kuò)展應(yīng)用至生態(tài)學(xué)中。微生物CUE指微生物用于生長同化的有機(jī)碳底物量與分解異化過程(如呼吸作用)對底物碳利用量的比率，反映了微生物對有機(jī)碳的同化合成(生長)和分解代謝(呼吸)的平衡和耦合[13-14]。CUE的內(nèi)核本質(zhì)反映了在不同時(shí)間和空間尺度上影響碳代謝的眾多過程(包括細(xì)胞個(gè)體及物種層次的生理過程以及群落或生態(tài)系統(tǒng)層次上的動(dòng)力學(xué)特征)的集合[15]。因此，理解CUE所反映的微生物生理過程及其對環(huán)境條件的響應(yīng)程度，是量化生態(tài)系統(tǒng)土壤碳固持能力，評估其長期碳儲量的潛力，預(yù)測全球變化、人為干擾及各種管理措施對生態(tài)系統(tǒng)碳固持影響的關(guān)鍵所在，是當(dāng)下生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候(如溫度和濕度)、土壤理化特征(如土壤質(zhì)地和團(tuán)聚體、土壤礦物和pH等)、土壤有機(jī)質(zhì)底物的質(zhì)量和養(yǎng)分含量等生物因子和非生物因子都對微生物CUE產(chǎn)生影響[16-17]。自養(yǎng)生物(植物和自養(yǎng)微生物)在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中通常面臨養(yǎng)分限制，而土壤異養(yǎng)微生物通過分解有機(jī)碳獲取營養(yǎng)和能量，因此既可能受到養(yǎng)分限制，亦可能在養(yǎng)分相對充分的情況下表現(xiàn)為碳限制[18]。經(jīng)典養(yǎng)分限制理論(Liebig’s law of the minimum)認(rèn)為生物量的產(chǎn)生由可利用性最低的單營養(yǎng)限制[19]。但越來越多的研究表明，在生態(tài)系統(tǒng)中可能發(fā)生多種元素共同限制，這主要是因?yàn)槿郝渲胁煌⑸镂锓N對于養(yǎng)分的需求有差異[20]；同時(shí)，一種養(yǎng)分的缺乏可能會降低微生物對另一種養(yǎng)分的獲取效率[21]。土壤有機(jī)碳含量、氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素的含量以及它們之間的化學(xué)計(jì)量比(C∶N∶P)是微生物在同化生長和呼吸獲取能量過程中分配有機(jī)碳的重要影響因子。影響C∶N∶P的機(jī)制較為復(fù)雜，不僅包括養(yǎng)分供給影響微生物生理活性的直接作用，也包括通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)從而影響CUE的間接作用，因此，這是當(dāng)前CUE研究中所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。本文對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行整理、總結(jié)和分析，從土壤有機(jī)質(zhì)碳源、養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比特征、微生物群落對養(yǎng)分的響應(yīng)以及其他生理功能機(jī)制的角度，概述微生物CUE的影響機(jī)制(見圖1，菱形框突出本文所重點(diǎn)綜述的2個(gè)關(guān)鍵控制機(jī)理及它們在微生物群落結(jié)構(gòu)和生理及土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中的調(diào)節(jié)機(jī)制)，進(jìn)而分析養(yǎng)分供給與其他生態(tài)因子可能的交互作用，最后提出將來CUE重要的研究方向，以期為預(yù)測和評估人為活動(dòng)和氣候變化對CUE的影響提供理論依據(jù)。

圖1 養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量特征對微生物利用效率和有機(jī)物歸趨的影響框架Fig.1 Proposed framework for the impacts of nutrients and stoichiometry on microbial carbon use efficiency and the fate of organic matter

1 土壤養(yǎng)分對CUE的影響機(jī)制

1.1 有機(jī)質(zhì)底物質(zhì)量

盡管土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，但對于異養(yǎng)微生物而言，易分解的活性有機(jī)碳通常是限制其生長的最重要因素[18]。微生物一方面同化有機(jī)質(zhì)用于自身生長，另一方面通過呼吸代謝消耗有機(jī)質(zhì)獲取能量。能量分配給前者越多，則CUE越高[22]。依據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，CUE的極限值為0.88，意味著微生物至少需要消耗12%的碳,通過呼吸作用產(chǎn)生能量維持自身生理活動(dòng)[23]。有機(jī)質(zhì)底物質(zhì)量對CUE有顯著影響。不同植被覆蓋類型導(dǎo)致輸入土壤的凋落物質(zhì)量有所差異，因而可被微生物同化利用的效率不同[24]。土壤微生物代謝供能和同化生長這兩方面都將影響到微生物對有機(jī)碳利用方式的分配能力，即CUE的高低[25]。在代謝有機(jī)質(zhì)底物提供能量方面， 底物碳還原度(Rs)是衡量每摩爾碳化學(xué)能的指標(biāo)，通常被用于評價(jià)有機(jī)質(zhì)提供能量的能力[23]。研究表明：當(dāng)?shù)孜颮s小于微生物生物質(zhì)碳還原度(RB)時(shí)，微生物需要消耗額外的碳合成生物量，從而CUE較低；而當(dāng)Rs>RB時(shí)，微生物的生長則有充足的能量，其生長速率主要受到底物中總可用有機(jī)碳含量的限制[25]。

在同化有機(jī)碳生長方面，不同的底物需要不同的代謝途徑才能被完全同化，而有機(jī)質(zhì)底物類型會影響其轉(zhuǎn)化為新生物質(zhì)的效率[26]，難以降解的有機(jī)質(zhì)需要大量酶的參與。微生物產(chǎn)生和分泌胞外酶的過程伴隨能量的消耗，使得同化每單位C的呼吸速率增大[23, 26]，降低CUE值。例如，糖苷水解酶通常作用于植物細(xì)胞壁的分解，在有機(jī)質(zhì)限制的土壤中，表達(dá)該酶的基因豐度和多樣性都更高[27]。Takriti等[28]通過采用13C示蹤的糖類、氨基糖、氨基酸和有機(jī)酸在土壤中的轉(zhuǎn)化過程，并用纖維二糖水解酶(CBH)和酚氧化酶(POX)的比值作為底物質(zhì)量的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)微生物對底物利用的CUE與CBH∶POX呈顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機(jī)質(zhì)底物種類是CUE重要的控制因子。但在包含114種來自不同地區(qū)的土壤和16種由14C標(biāo)記的有機(jī)質(zhì)底物的研究中，Jones等[29]僅發(fā)現(xiàn)葡萄糖等有機(jī)質(zhì)底物在不同土壤中均有較一致的高CUE水平，而其他有機(jī)質(zhì)底物在不同土壤中的CUE變化很大。綜上，有機(jī)質(zhì)底物的質(zhì)量只能部分解釋土壤CUE的變化。

1.2 養(yǎng)分可利用性

氮和磷對于有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能必不可少：氮的增加促進(jìn)微生物蛋白質(zhì)和核酸等關(guān)鍵細(xì)胞生長，包括調(diào)控生長代謝過程各種酶的合成[30]；磷的增加促進(jìn)富含磷的核糖體合成，而后者是合成細(xì)胞生長相關(guān)的各種酶的場所[31]，三磷酸腺苷(ATP)的增加亦提高了微生物活性[32]。由于氮和磷在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中都有限，其可利用性的增加促進(jìn)微生物細(xì)胞的生長，而氮磷養(yǎng)分的添加對異養(yǎng)呼吸的作用可能有相反的影響。Zhang等[33]在全球尺度范圍內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)的Meta分析中發(fā)現(xiàn)，氮的添加總體呈現(xiàn)降低異養(yǎng)呼吸的趨勢。另一方面，磷添加則能增加異養(yǎng)呼吸[34-36]。這表明氮和磷對微生物有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響機(jī)制不同。在氮限制下，微生物通過分解有機(jī)質(zhì)、固定無機(jī)氮，并通過合成促進(jìn)有機(jī)氮降解的酶從而更有效地獲取氮[37]，這些生理過程均需要消耗能量，使呼吸速率增大[17]。同時(shí)，氮的添加可能導(dǎo)致土壤pH降低和細(xì)胞滲透壓的改變，這是呼吸速率下降的主要原因之一[38]。盡管分解有機(jī)質(zhì)也是微生物對磷獲取的重要途徑之一，微生物亦可通過分泌有機(jī)酸活化土壤無機(jī)磷[39]，因此磷的獲取與有機(jī)質(zhì)分解的耦合度相對更小[40-41]。在磷限制條件下，添加磷主要體現(xiàn)為微生物活性的增強(qiáng)所導(dǎo)致呼吸作用的增加。這可能是因?yàn)樘砑拥牧着c土壤有機(jī)質(zhì)競爭吸附位點(diǎn)，從而降低了吸附對有機(jī)質(zhì)的保護(hù)，增加了其微生物可利用性，進(jìn)而提高了呼吸速率[36]。由于養(yǎng)分的可利用性對于微生物生長和呼吸作用的機(jī)理不一致，且不同土壤的養(yǎng)分有效性不同，通過養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)對微生物CUE的影響研究常常很難獲得一致的規(guī)律[37, 42]。需要特別注意的是，微生物生物量、生理活性、酶活性對養(yǎng)分的添加存在一定閾值，超過該閾值，作用的方向可能會發(fā)生改變[43]。如Li等[44]發(fā)現(xiàn)低氮添加(25 kg/(ha·a))能提高溫帶森林有機(jī)層土壤中微生物的CUE；當(dāng)?shù)砑犹岣咧?5 kg/(ha·a)，反而使得CUE降低；與之不同的是，礦質(zhì)層土壤微生物CUE在低氮添加時(shí)不受影響，而高氮添加時(shí)則被顯著提高。這些研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分可利用性影響CUE，但其影響機(jī)理多樣，還需要進(jìn)一步深入研究。

1.3 C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征

有機(jī)碳與養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量特征作為表征底物和養(yǎng)分限制性的指標(biāo)[45]，是微生物CUE的重要影響因素[46-47]。在化學(xué)計(jì)量學(xué)理論中，當(dāng)必需元素相對于碳的可用性低于其最佳生長所需的臨界比率(TER)時(shí)，生長就會受到養(yǎng)分的限制[48]。通常而言，有機(jī)質(zhì)底物中C∶N∶P較高(如葉片凋落物中該比率為3 055∶43∶1，而木質(zhì)殘?bào)w的比率則高達(dá)14 103∶40∶1)[49]，而土壤和微生物中大致為186∶13∶1和60∶7∶1[50]，或者287∶17∶1和42∶6∶1[51]。根據(jù)消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán)理論，限制性養(yǎng)分更可能高效地用于微生物生長，而非限制性養(yǎng)分則可能被微生物釋放到環(huán)境中[45]。因此，不同化學(xué)計(jì)量比之間的不平衡意味著微生物在利用有機(jī)質(zhì)底物的過程中，將過量的碳轉(zhuǎn)化為CO2釋放的能量用以獲取氮磷養(yǎng)分[52]；而在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中磷相比氮更為缺乏，微生物需要消耗更多的能量獲取和持留磷[53-54]。

微生物生長量必須根據(jù)所能獲取到的養(yǎng)分量進(jìn)行調(diào)整。為了在氮和磷可用性較低的情況下達(dá)到內(nèi)部穩(wěn)態(tài)平衡，土壤微生物可以適當(dāng)減少降解富含碳的碳水化合物水解酶(如葡萄糖苷酶)的合成，并降低對碳水化合物的碳同化速率[55]。盡管在大多數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)較高的C∶(N/P) 比值導(dǎo)致微生物CUE降低[17, 37, 56]，但由于其他因素影響，不同研究的結(jié)果并不一致[28, 57-59]。研究結(jié)果表明，微生物在不同環(huán)境條件(如溫度、水分和pH)和養(yǎng)分限制狀況下采取不同的應(yīng)對策略，將能量用于細(xì)胞生長、養(yǎng)分獲取或者脅迫應(yīng)對上，從而造成CUE的差異[60]。在研究C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征對CUE的影響時(shí)，也需要特別注意：微生物對于自然(或長期)化學(xué)計(jì)量比與人為(或短期)養(yǎng)分添加改變化學(xué)計(jì)量比的響應(yīng)機(jī)制可能不同。短期CUE的改變可能在長期環(huán)境中通過微生物群落結(jié)構(gòu)變化及相應(yīng)的生理適應(yīng)機(jī)制而減弱[61]。因此，在微生物CUE的研究中，需要特別注意其他環(huán)境條件及作用時(shí)間對于養(yǎng)分限制的協(xié)同機(jī)制。

通過胞外酶活性(EEA)的化學(xué)計(jì)量比判斷微生物有機(jī)質(zhì)或養(yǎng)分限制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[20]。由于微生物的獲取主要以分泌分解酶的途徑進(jìn)行，酶活性的化學(xué)計(jì)量比在物質(zhì)循環(huán)過程中能起到調(diào)節(jié)元素循環(huán)和速率的作用。最常被用做酶化學(xué)計(jì)量比指標(biāo)的是如下4種酶：β-1,4-葡糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性/堿性磷酸酶(AP)[62]。當(dāng)前很多研究將BG∶(NAG+LAP)∶AP的比值與在全球尺度上平均活性比1∶1∶1進(jìn)行比較[63]，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值模型[64]從微生物養(yǎng)分獲取策略的角度判斷其養(yǎng)分限制特征，以研究其對微生物CUE的影響[65]。例如Zhai等[66]在不同鹽度的潮汐帶土壤中研究發(fā)現(xiàn)，磷限制而非碳限制對CUE有抑制作用。Cui等[22]通過建立一系列模型，發(fā)現(xiàn)綜合元素和酶活性化學(xué)計(jì)量比能夠更好地揭示微生物代謝的限制特征，并發(fā)現(xiàn)微生物的碳限制越高，其CUE越低，證實(shí)了化學(xué)計(jì)量特征的確對微生物資源分配有顯著的影響。Sinsabaugh等[46]通過比較土壤元素、微生物生物量、胞外酶活性及胞外酶活性與土壤元素的化學(xué)計(jì)量比值與微生物CUE之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)胞外酶活性C∶N是預(yù)測微生物CUE的最佳指標(biāo)；而胞外酶活性C∶P和微生物生物量C∶P亦與微生物CUE有非常顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。需要注意的是，通過在土壤懸濁液中添加底物測定酶活性的方法所得到的結(jié)果是酶活性潛勢，并不一定反映在土壤中實(shí)際發(fā)生的情況；且由于土壤胞外酶的穩(wěn)定時(shí)間較長，其酶活性對短期養(yǎng)分變化響應(yīng)不明顯[67]。同時(shí)，Rosinger等[68]發(fā)現(xiàn)，外源碳添加刺激了真菌和細(xì)菌的生長，但BG∶NAG的比率并未發(fā)生變化，因此沒有反映出碳的添加對碳限制的緩解作用。Mori[69]通過模型模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)纖維素(而非幾丁質(zhì)、肽聚糖和蛋白質(zhì))是最主要的碳源時(shí)，BG∶NAG才能反映碳、氮限制的相對變化。這表明，微生物在面對養(yǎng)分限制時(shí)的調(diào)控機(jī)制較為復(fù)雜，若干胞外酶的活性變化可能只能反映部分機(jī)理。因此在微生物有機(jī)質(zhì)或養(yǎng)分限制的判別方法上，還需要進(jìn)一步研究探索。

1.4 養(yǎng)分限制所引起的微生物群落結(jié)構(gòu)改變

作為應(yīng)對養(yǎng)分限制的另一個(gè)機(jī)制，改變微生物群落結(jié)構(gòu)，比如其物種構(gòu)成及多樣性[70]和細(xì)菌與真菌比率[71]通常發(fā)生相應(yīng)的變化，因?yàn)椴煌⑸镌趯︷B(yǎng)分的需求和獲取營養(yǎng)物質(zhì)的能力上相異，造成它們生態(tài)位的區(qū)別。土壤細(xì)菌和真菌是主要的異養(yǎng)微生物，它們被認(rèn)為在碳和養(yǎng)分循環(huán)及固持能力上有顯著差異[72]。通過經(jīng)典微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)不同微生物內(nèi)生稟賦的CUE有非常大的差異性[15]：K-策略的微生物生長較慢，但是資源利用效率較高，通常有較高CUE，傾向于生活在養(yǎng)分缺乏的環(huán)境中，很多研究認(rèn)為真菌屬于此類微生物；相反，r-策略的微生物代謝速率更強(qiáng)，對養(yǎng)分要求更高，CUE較低，例如細(xì)菌[57, 61]。當(dāng)環(huán)境養(yǎng)分可利用性發(fā)生改變時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，物種尺度上不同的CUE反映在群落尺度上，可能表現(xiàn)為CUE的增大或者減小[73]。

微生物之間的競爭和協(xié)作等種間關(guān)系可能比多樣性本身對土壤群落功能有更重要的決定作用，并由此對CUE產(chǎn)生影響[74-75]。同質(zhì)環(huán)境中的直接競爭可能會導(dǎo)致CUE降低，而土壤異質(zhì)性增加則有利于微生物之間的協(xié)作，提高有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的利用效率，從而促進(jìn)更高的CUE[73]，同時(shí)更有利于K-策略的微生物[76]。與純菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，由于不同環(huán)境下種間關(guān)系的復(fù)雜性，在土壤中真菌和細(xì)菌與碳源的利用優(yōu)勢度及CUE之間可能呈現(xiàn)不同的關(guān)系?；趯?54個(gè)氮添加實(shí)驗(yàn)的Meta分析，Zhou等[77]發(fā)現(xiàn)氮的添加降低了真菌與細(xì)菌(F:B)的比率，但是提高了革蘭氏陽性菌與陰性菌(G+∶G-)的比率；同時(shí)，一定程度氮的添加(< 100 kg/(ha·a))對微生物的生長有正效應(yīng)。Guo等[78]研究有機(jī)質(zhì)添加對稻田土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)及微生物CUE的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤細(xì)菌而非真菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，土壤微生物CUE亦有顯著性變化，表明細(xì)菌在該條件下對微生物CUE起主導(dǎo)作用。還有多項(xiàng)研究結(jié)果表明：真菌與細(xì)菌(F∶B)值與CUE呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在真菌生物量更高時(shí)，CUE較低。如Silva-Sánchez等[58]在土柱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)土壤pH較高而N的養(yǎng)分更低時(shí)，細(xì)菌在與真菌的競爭關(guān)系中表現(xiàn)為主導(dǎo)作用，此時(shí)微生物群落的CUE更高；當(dāng)細(xì)菌被低pH或者高無機(jī)氮抑制時(shí)，真菌的生物量和對碳底物的利用增大，但CUE更低。Soares等[57]在溫帶和亞寒帶的森林和農(nóng)田土壤中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量較高時(shí)，細(xì)菌在對碳源利用中占主導(dǎo)且CUE較高。Fitch等[79]對溫帶森林土壤的研究也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律；但他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，外生菌根的相對豐富度增加時(shí)，CUE也同時(shí)增加。這表明僅將微生物分為細(xì)菌和真菌兩組(或者依靠較高級的系統(tǒng)發(fā)育水平的分類)來判斷不同微生物對CUE的影響可能是不準(zhǔn)確的，因?yàn)榫哂邢嗨乒δ艿奈⑸镱惾和ǔＴ谙到y(tǒng)發(fā)育上是多樣化的，而同一分類下的菌株也可能具有不同的生理代謝特征[80]。

1.5 外源底物及養(yǎng)分對土壤有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)(priming effect)

新鮮底物的輸入為土壤微生物提供了更多的能量和養(yǎng)分。由于新鮮底物(比如凋落物)的C∶N∶P遠(yuǎn)高于土壤有機(jī)質(zhì)，因此刺激微生物分解土壤中原有的有機(jī)質(zhì)以獲取氮和磷用于細(xì)胞生長[81]。根據(jù)激發(fā)方向可分為正激發(fā)和負(fù)激發(fā)效應(yīng)。負(fù)激發(fā)效應(yīng)主要表現(xiàn)為：微生物優(yōu)先利用外源底物，或者微生物對有限養(yǎng)分的強(qiáng)烈競爭導(dǎo)致活性下降，從而降低了對土壤有機(jī)物的分解。短期負(fù)激發(fā)效應(yīng)可能伴隨之后的正激發(fā)效應(yīng)：當(dāng)外源底物的能量耗盡之后，生物量已有較大提高的微生物轉(zhuǎn)而分解土壤有機(jī)質(zhì)獲取能量和養(yǎng)分，從而促進(jìn)本土有機(jī)質(zhì)的分解[82]。激發(fā)效應(yīng)較高時(shí)，如果微生物受到養(yǎng)分限制，則有機(jī)碳分解更多分配于呼吸作用，CUE則較低[83]。添加外源氮磷養(yǎng)分時(shí)，微生物通過分解有機(jī)質(zhì)以獲取養(yǎng)分的需求減少，理論上而言可以降低外源有機(jī)質(zhì)對土壤有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)，并改變微生物對于外源底物的CUE。Liu等[84]探索了長期施氮對易降解碳(葡萄糖)和難降解碳(苯酚)的激發(fā)效應(yīng)及CUE的影響，發(fā)現(xiàn)氮的添加降低了2種碳的激發(fā)效應(yīng)；但只增加了易降解碳的CUE。而Mehnaz等[32]通過添加不同種類的有機(jī)碳和磷的實(shí)驗(yàn)，則發(fā)現(xiàn)與假設(shè)相反，磷的添加增加了激發(fā)效應(yīng)而對CUE則沒有影響。這可能是由于單一養(yǎng)分添加更促使微生物從有機(jī)質(zhì)中獲取另一養(yǎng)分。Vain等[85]基于秸稈和復(fù)合養(yǎng)分添加的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有無養(yǎng)分添加的土壤中秸稈引起的激發(fā)效應(yīng)相似，但無養(yǎng)分添加的土壤中秸稈添加導(dǎo)致更高的呼吸作用，即更低的CUE。他們認(rèn)為，低養(yǎng)分土壤的激發(fā)效應(yīng)可能是通過刺激K-策略的微生物生長并分解有機(jī)質(zhì)獲得的。養(yǎng)分添加所帶來的有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)高低和對CUE的影響及土壤酸化亦有關(guān)系，相比糞肥，礦質(zhì)氮的施入導(dǎo)致土壤酸化，可能使其CUE降低而激發(fā)效應(yīng)升高，因此不利于土壤長期碳固持[86]。綜上，外源底物及養(yǎng)分添加帶來一系列效應(yīng)，如養(yǎng)分相對比例的不平衡，土壤理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化均可以對激發(fā)效應(yīng)和CUE產(chǎn)生影響。而具體的影響因素可能與底物、養(yǎng)分和土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量有很大關(guān)系[87]，其機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

2 影響CUE的其他間接因素

如前所述，當(dāng)研究養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征對微生物CUE的影響時(shí)，常常得到不一致的結(jié)果。這表明，養(yǎng)分對于微生物群落結(jié)構(gòu)及生理活性的影響同時(shí)受到其他一系列因素，比如土壤溫度和濕度、植被類型或土地利用方式、土壤理化性質(zhì)等的聯(lián)合作用。這些影響因素對CUE的影響機(jī)制復(fù)雜，本文只側(cè)重于討論它們通過影響有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分而對CUE產(chǎn)生的間接作用。目前，不同控制因素之間的交互作用對CUE的影響研究尚處于探索階段，需在未來結(jié)合更多研究成果得到更系統(tǒng)性的認(rèn)識。

2.1 土壤溫度和濕度

土壤溫度和濕度等由氣候調(diào)控的因子被廣泛認(rèn)為是微生物生理學(xué)(例如呼吸和生長)的主要控制因素。前人研究發(fā)現(xiàn)，微生物CUE隨溫度的升高而降低，總體呈現(xiàn)溫帶比熱帶高的特征[88]。高溫加速微生物活性，提高養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率，促進(jìn)土壤呼吸作用[89]，并導(dǎo)致底物消耗和營養(yǎng)限制[90]，從而降低微生物生長和CUE。熱帶土壤中有機(jī)質(zhì)含量和生物可利用性均更低，造成CUE在氣候帶之間的差異[13, 91]。而土壤濕度則更多地通過影響氧氣擴(kuò)散，從而改變微生物代謝有機(jī)碳的途徑和能量的獲取效率，進(jìn)而影響CUE[92]。Ullah等[93]發(fā)現(xiàn)，季節(jié)比干旱對澳大利亞草地土壤微生物CUE的影響更大，而CUE的最高值出現(xiàn)在濕潤的冬季而非干旱的夏季，主要機(jī)制是季節(jié)變化對于微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。Domeignoz-Horta等[94]接種不同的微生物群落到滅菌土壤中并控制土壤溫度和濕度，發(fā)現(xiàn)盡管群落結(jié)構(gòu)是最重要的CUE影響因子，溫度和濕度調(diào)控微生物多樣性與CUE之間的關(guān)系，但是CUE僅在土壤高濕度時(shí)與微生物多樣性有正相關(guān)關(guān)系。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)類型及土地利用方式

不同生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式，植被類型和凋落物輸入也不同。通過植物—根系—微生物—土壤動(dòng)物相互影響的網(wǎng)絡(luò)對水分、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、礦物組成等一系列土壤因素有復(fù)雜的作用[49, 95]。強(qiáng)烈的人為干擾進(jìn)一步塑造了不同土地利用方式中土壤特性和功能特征。所有這些因素直接或者間接地改變了土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)和固持特征[82]。從有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分角度而言，如下3種機(jī)制可能對微生物CUE的影響較大：1)植被類型及多樣性、不同凋落物及其他外源有機(jī)質(zhì)的輸入，有機(jī)質(zhì)的總量和質(zhì)量有差異[96-97]；2)植物地下碳的分配方式[98]和根系分泌物[99-100]的不同；3)人為施肥和其他土地管理方式改變了土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比。盡管不少研究報(bào)道了土地利用方式對于微生物生長和CUE的影響[101-102]，亦有研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物CUE更多受到溫度和濕度等環(huán)境因子的控制，不同生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式對CUE的影響相對較小[103]。

2.3 土壤理化性質(zhì)

土壤pH、粘土礦物、鐵鋁氧化物形態(tài)和團(tuán)聚體構(gòu)成等土壤理化性質(zhì)改變了土壤養(yǎng)分的有效性和微生物可獲取程度，從而改變了土壤微生物養(yǎng)分供給，進(jìn)而對土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和CUE產(chǎn)生影響。Zhang等[104]在對不同pH土壤添加不同底物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH和底物質(zhì)量均對土壤呼吸產(chǎn)生作用，土壤CUE隨著pH值的增大而升高。他們認(rèn)為這是由于pH對細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的塑造作用所引起的。Silva-Sánchez等[58]將較高pH的土壤其微生物CUE較高歸結(jié)為土壤細(xì)菌的主導(dǎo)地位。Malik等[105]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pH接近中性時(shí)，微生物CUE最大，最利于土壤有機(jī)碳固持。低pH條件下更高的鋁含量也被認(rèn)為是低CUE的原因之一，因?yàn)楦嗟哪芰勘环峙溆诮档臀⑸锏匿X脅迫[59]。不少研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面深度對微生物CUE亦有明顯影響，大多數(shù)研究認(rèn)為這是由于不同土壤剖面底物和養(yǎng)分含量差異造成的。但研究所得到的規(guī)律并不一致：Spohn等[106]發(fā)現(xiàn)，森林土壤的CUE不受土壤剖面影響，而草地土壤的CUE則隨深度增加而降低。而Li等[107]和Zhran等[108]分別在濕地、草地、森林土壤和長期施肥的水稻田土壤中研究均發(fā)現(xiàn)CUE隨土壤深度的增加而增加。

3 研究前景

由于新研究技術(shù)的發(fā)展，對于微生物CUE的研究近幾年來迅速發(fā)展，在生態(tài)系統(tǒng)碳輸入—微生物固碳—土壤碳貯存之間架起了一座橋梁，成為研究生態(tài)系統(tǒng)碳儲存潛力和調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要更好地通過CUE指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)和土地管理，促進(jìn)土壤固碳，仍然有一些亟待解決的機(jī)制和一系列需要回答的科學(xué)問題。

首先，土壤微生物CUE測定方法一般分為13C或3H-底物標(biāo)記法、18O-水標(biāo)記法、熱量測量比法、代謝通量分析法和化學(xué)計(jì)量學(xué)模型法[25]。這些方法的應(yīng)用基于不同假設(shè)，對微生物代謝特征的不同方面各有側(cè)重[109]。如13C或3H-底物標(biāo)記法采用生物易利用碳，導(dǎo)致CUE偏高，并不能反映環(huán)境中微生物對真實(shí)底物的利用[16]。13C或3H-底物和18O-水2種標(biāo)記法只能用于短期培養(yǎng)，無法考察微生物周轉(zhuǎn)和評估微生物長期碳利用效率[106]。熱量測量法需要微生物生物量和底物碳的氧化狀態(tài)等信息用于計(jì)算[92]。代謝通量分析法無法計(jì)量微生物周轉(zhuǎn)的影響及分泌物的去向[110]。化學(xué)計(jì)量法計(jì)算所需的微生物胞外酶活性和微生物生物量的碳氮比等參數(shù)需要有大量數(shù)據(jù)，但未涉及微生物代謝過程，僅可視為CUE的代用指標(biāo)，主要用于模型評估[46]。Geyer等[109]通過應(yīng)用上述方法對同一土壤微生物CUE進(jìn)行估測，測定結(jié)果有較大差異：其中不使用特定底物的18O法和化學(xué)計(jì)量學(xué)模型法所得CUE較低(< 0.4)，而使用特定底物的13C-3H法、熱量測量法和代謝通量分析法所得數(shù)值較高(> 0.6)。這為研究CUE與其他不同測定方法對比，尤其是對大數(shù)據(jù)整合和模型模擬帶來了挑戰(zhàn)。

其次，微生物CUE研究的另一個(gè)挑戰(zhàn)來自當(dāng)前研究中的生態(tài)學(xué)尺度和時(shí)間尺度的不整合。如前所述，CUE的概念可能涉及某種微生物生理特性、某些微生物之間的種間關(guān)系，或是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)尺度的微生物群落有機(jī)碳代謝特征。從微觀生理到宏觀生態(tài)尺度的調(diào)控機(jī)制和影響因子相異。另外，短期實(shí)驗(yàn)主要反映的是微生物對環(huán)境變化的短期反應(yīng)，可能不同于微生物適應(yīng)新環(huán)境條件后所表現(xiàn)的長期響應(yīng)機(jī)制；在不同時(shí)間尺度下，碳在不同代謝過程中的分配方式不同，從而影響CUE的大小。因此，需要分析不同研究的生態(tài)尺度和時(shí)間尺度，明晰在不同尺度下所需要回答的科學(xué)問題。對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)尺度碳循環(huán)和儲存的模型需要建立在更細(xì)致的尺度上考察底物資源、養(yǎng)分生態(tài)計(jì)量的限制、微生物群落的組成和生理代謝特性，闡明不同尺度下微生物碳轉(zhuǎn)化過程及其對環(huán)境變化的響應(yīng)，以預(yù)測整個(gè)微生物群落的CUE[111]。

第三，微生物CUE決定了土壤微生物將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生物量的效率，而微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳庫的重要貢獻(xiàn)者，微生物殘?bào)w的穩(wěn)定性決定了土壤碳固持的長久性[10]。因此，要闡明何種機(jī)制及哪些影響因素可能影響、調(diào)控和增加土壤碳庫時(shí)，需要將CUE的提高和微生物殘?bào)w的穩(wěn)定作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮。同時(shí)，需要在研究中納入多影響因素的交互作用并開展短期和長期研究，以揭示在多個(gè)時(shí)間尺度上不同影響因素對微生物CUE及微生物殘?bào)w穩(wěn)定性影響的主導(dǎo)因素差異。

最后，氣候變化有可能改變森林生態(tài)系統(tǒng)中影響碳儲存的植物和土壤過程。土壤微生物有機(jī)質(zhì)呼吸作用的提高，可能造成土壤碳庫損失的風(fēng)險(xiǎn)[94]。研究氣候變化對微生物CUE的影響有助于判斷微生物調(diào)節(jié)土壤碳動(dòng)態(tài)的主要響應(yīng)機(jī)制：例如微生物群落組成改變對碳轉(zhuǎn)化過程溫度敏感性的影響、微生物對限制性養(yǎng)分的開發(fā)和利用效率及微生物利用有機(jī)質(zhì)的過程中碳氮磷循環(huán)間的耦合關(guān)系等。闡明微生物介導(dǎo)的反饋對于理解生態(tài)系統(tǒng)對氣候變暖的反應(yīng)至關(guān)重要，并將為氣候變化碳排放和儲存建模提供理論基礎(chǔ)，也為通過人為管理促進(jìn)養(yǎng)分利用效率，從而進(jìn)一步提高土壤固碳潛力提供科學(xué)指導(dǎo)。