基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

林婉奇,薛 立

华南农业大学林学与风景园林学院, 广州 510642

氮(N)沉降和降水格局变化是全球气候变化的两个重要组成部分[1]。由于生产和生活中大量化石燃料的燃烧和化学肥料的过度使用,过去100年来氮沉降量显著增加,在亚洲温暖潮湿的气候带尤为明显[2]。在大多数地区，氮是限制植物生长的主要因子,低速率的氮沉降促进森林的生长[3],而慢性高氮输入会导致许多不利影响,包括增加温室气体排放[4]、养分不平衡[5]及土壤酸化[6]等。目前大多数陆地生态系统的氮沉降量持续增加,预计到2050年,氮沉降速度将是当前的两倍,氮沉降量将超过生态系统的关键负荷量[7]。在全球气候变化背景下,降水变化通过改变土壤的通透性进而影响陆地生态系统的地下生态过程。据预测,高纬度地区降水量将增加,大多数亚热带地区降水量将减少[4]。降水能增加土壤湿度,有助于氮肥肥效的发挥。同时,氮沉降和降水的变化会引起土壤微生物群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应[8]。

土壤微生物是许多关键生态系统变化的重要驱动力,在维持生态系统功能和服务中起关键作用[9]。土壤微生物多样性是土壤质量变化的重要指标[10]。国内外关于土壤微生物多样性的研究集中在物种、功能、结构及遗传多样性四个方面[11]。其研究方法也在不断的改进,主要包括磷脂脂肪酸法(PLFA)[12-14]、BIOLOG 微量分析法[7, 15]、变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)[16-17]和高通量测序技术[18-20]等。其中,BIOLOG技术以群落水平碳源利用类型为基础的BIOLOG氧化还原技术为研究土壤微生物群落功能多样性提供了一种简单、快速的方法,并得以广泛应用。目前,关于微生物多样性的研究多侧重于物种、结构和遗传三个方面,对功能多样性研究相对较少。土壤微生物功能多样性是指土壤微生物群落所能执行的功能范围以及这些功能的执行过程,对于明确不同环境中微生物群落的作用具有重要意义[21]。另外,微生物各官能团在决定各种土壤生化反应中亦具有关键作用[22]。土壤微生物群落功能多样性可能受到环境(非生物和生物)因素和人为措施的直接和间接影响[23],其群落组成和功能的变化可能引发一系列反应,如影响凋落物和有机质的分解速率、腐殖质的形成以及养分的转化和循环,进而影响土壤微生物和植物群落之间的相互作用[15]。

近二十几年来,用来鉴定细菌在土壤间的功能差异性的BIOLOG技术取得了长足进步[24],BIOLOG分析技术通过微生物对不同碳源的利用特点来直观反映土壤微生物的功能多样性而被广泛应用[25]。目前,缺乏有关氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性影响的综述,作者对国内外这一研究内容进行总结,可以为全球气候变化背景下土壤微生物群落功能多样性的研究提供参考。

1 氮沉降对土壤微生物代谢和碳源利用的影响

全球性的大气氮沉降日趋严重,影响了土壤微生物的分解,进而导致土壤养分有效性的变化[26]。开展土壤微生物多样性研究技术难度大、方法要求高。国内外关于氮沉降对土壤微生物功能多样性影响的研究起步较晚,多见于森林[27-29]、草原[15, 30- 31]、湿地[32- 33]等生态系统(表1)。

表1 基于BIOLOG技术分析氮沉降对土壤微生物功能多样性的影响

1.1 氮沉降对土壤微生物代谢活性的影响

N是土壤中最常见的限制性营养元素,主要通过氮的固定进入生态系统,增加氮沉降可能会改变土壤微生物群落的组成及其对生态系统结构和功能的反馈[34]。BIOLOG板的平均颜色变化率(AWCD)的值越高代表了土壤微生物群落代谢活性越高[35]。氮沉降对土壤微生物代谢活性的影响主要包括以下两个方面：

(1)促进作用：在氮含量较低的土壤中,会产生氮限制,故施氮有助于缓解氮限制,改善土壤有效氮含量,从而促进土壤微生物的碳代谢功能活性[36]。隋心等[32]和吴松芹等[33]的研究发现,湿地土壤微生物的AWCD值随着土壤氮含量的增加而逐渐上升,且均高于对照处理。这可能是因为施氮促进了植物的生长,地上较高的生物量会返回土壤,为土壤微生物群落提供充足的碳源,从而促进了微生物的碳代谢活性。植物群落与土壤微生物群落之间的相互作用是众所周知的。一方面,植物生产力影响土壤微生物群落的功能多样性[36]；另一方面,土壤微生物功能和群落组成的变化通过影响凋落物和有机物分解速率、腐殖质形成、营养转化和循环,进一步改变植物群落和微生物群落之间的相互作用[15]。因此氮沉降对土壤微生物代谢活性的影响还需要进一步深入研究。

(2)抑制作用：过量的氮沉降产生的土壤酸化以及铝毒效应将导致土壤对微生物群落的胁迫程度加深,改变了微生物的群落结构,进而抑制了土壤微生物类群(细菌、真菌和原生动物等)的代谢活性[15,29,37- 38]。在新西兰汉密尔顿附近的两个牧草试验点的研究表明,长期施氮降低了土壤微生物的AWCD值,抑制了其代谢活性[30]。在内蒙古草原样地,经过连续5a施用氮肥,降低了土壤微生物的AWCD值[31]。苏丹等[39]的研究也发现,适量施氮促进了桉树林土壤微生物群落的代谢活性,但过量的氮沉降会对其产生抑制作用。

1.2 氮沉降对土壤微生物碳源利用的影响

微生物利用碳源的特点是一个非常重要的表征特性,关系到微生物种群之间的生长繁殖和生存竞争,曾用于微生物的数值分类,也被称为微生物的“新陈代谢指纹冶[40]。大多数土壤微生物是异养型生物,通过对碳源的利用而驱动土壤的功能变化。氮沉降影响土壤养分的有效性,引起微生物对碳源利用的变化,最终改变微生物群落的结构和功能[41]。

目前关于氮沉降条件下土壤微生物对不同类型碳源利用模式的研究还没有统一定论,这可能是因为微生物群落对土壤环境变化和胁迫高度敏感,导致微生物C利用模式的变化与环境参数的变化有关[42],且不同碳源类型存在不同的官能团,如碳水化合物(R-C=O)、氨基酸(-NH2和-COOH)、羧酸(-COOH)、酚类化合物(-OH)、胺(-NH2)和聚合物(单体)[43]。Frey等[27]报道了高氮处理下硬木林土壤微生物对碳水化合物和羧却对细菌具有抑制作用酸的相对利用率显著降低,对柠檬酸和丙二酸的利用率显著提高。Chakraborty等[41]发现,氮肥的施用降低了土壤微生物群落分解代谢氨基酸和胺类碳源的能力。朱凡等[44]发现,施氮后酵母菌提高了利用羧酸类和聚合类的能力,而对糖类的利用能力下降；土壤厌氧菌对氨基酸类和核苷类碳源的利用能力得到提高,而对羧酸类、糖类和有机酸类的利用能力下降；革兰氏菌对无机盐类和羧酸类的利用能力提高,而对糖类、聚合类、其他氨基酸类碳源的利用能力下降。这可能是不同土壤微生物对土壤环境变化的一种适应机制。马慧君等[45]的研究报道,在高氮处理时杨树人工林土壤微生物利用酚类碳源的程度最高,在低氮处理时对胺类碳源的利用程度最高。王晶晶等[46]研究氮磷添加对亚热带常绿阔叶林表层土壤微生物的影响时发现,随着氮添加剂量的增加,土壤微生物对酚类和氨基酸类碳源的利用能力明显提高。

1.3 氮沉降对土壤微生物多样性指数的影响

McIntosh多样性指数反映群落物种均匀度；Shannon多样性指数受微生物群落物种丰富度的敏感影响,反映土壤微生物群落利用碳源程度的变化度和差异度；Simpson多样性指数可反映土壤微生物群落对常见碳源的利用程度[46]。不同多样性指数可反映土壤微生物群落功能多样性的不同侧面。施肥时间和施肥量对土壤微生物多样性指数产生重要影响。氮沉降适量时能提高土壤微生物的多样性指数[32- 33],但大多数研究表明长期高氮沉降会抑制土壤微生物的多样性[30]。Shen等[38]的研究发现,土壤微生物群落的多样性指数均随氮肥添加速率的增加而呈下降趋势。Yuan[29]的研究发现,低氮处理对土壤微生物的Shannon指数和McIntosh 指数具有促进作用,高氮处理为抑制作用,不同施氮水平对土壤微生物的Simpson 指数无显著影响。然而,Cui等[47]研究4年氮添加对华东常绿阔叶林土壤细菌群落的变化却发现,高氮沉降促进了土壤微生物的Shannon指数,对Simpson 指数没有显著影响。这可能与植被类型、土壤性质和气候条件等因素有关。

大多数研究表明,不同的土壤微生物群落对N沉降的响应也可能不同[48-50]。如郁培义等[28]的研究发现,氮添加显著促进了真菌的丰富度指数,抑制了其优势度和均匀度指数,而对厌氧菌没有显著影响。Wang等[51]的研究亦发现,高氮沉降促进了真菌的丰富度指数,却对细菌具有抑制作用。朱凡等[44]的实验却发现,施氮后厌氧菌、真菌和革兰氏菌3种微生物的丰富度增加,均匀度和优势度降低。一方面,氮素富集会导致土壤酸化,造成氮素的转化和循环失调；另一方面,氮添加能促进喜氮素种群的代谢活性,从而降低土壤微生物群落均匀度和优势度[44]。总的来说,喜氮的物种更容易在氮沉降条件下生存,而厌氮物种随着施氮水平的增加则逐渐沦为衰退种[52]。

2 降水对土壤微生物代谢和碳源利用的影响

降水通过加速土壤中养分的溶解而提高土壤养分的有效性,从而对陆地生态系统造成影响[26]。一般来说,降水对土壤微生物群落具有短期和长期影响。降水在短期内形成干湿交替,水的添加可以通过提高水溶性养分含量而影响土壤理化特性和植物的生长,进而改变土壤微生物结构和功能多样性[53- 64](表2)。目前,缺乏有关长期降水对土壤微生物群落结构和功能影响的研究[65 - 67]。

表2 降水对土壤微生物功能多样性的短期影响

2.1 降水对土壤微生物代谢活性的影响

降水变化可以强烈影响土壤C储存,改变陆地生态系统生物地球化学过程的速率,最终可能导致土壤微生物功能多样性的改变[68]。大多数研究发现水分添加对土壤微生物的代谢活性具有显著的促进作用[69-71]。如王杰等[55]的研究表明,水分添加处理提高了土壤微生物的AWCD值,增强了微生物的碳源利用率。Li等[72]研究亦发现,降水促进了的土壤微生物代谢活性的AWCD值,主要原因为：(1)水分添加直接影响土壤性质,改变土壤微生物的生理状况,同时调节土壤酶和土壤理化性质,进而影响微生物组成与活性[73]；(2)水分添加可以提高植物生产力,促进植物根系发育,为土壤能提供更多的有效碳源,微生物对土壤碳源的利用率随之增加,从而促进了微生物活性[69]。

降雨前土壤含水量对土壤微生物群落多样性有重要影响。雨前土壤含水量处于近饱和状态,降水对土壤微生物多样性具有抑制作用或无显著影响。李华等[74]研究不同地下滴灌制度下黄瓜土壤的微生物多样性发现,AWCD值随着灌水量的增加呈先升后降的趋势,说明过量的水分添加会抑制土壤微生物的代谢活性。刘亚军等[75]研究湿地土壤微生物的碳源代谢活性发现,湿润组土壤微生物代谢活性AWCD值高于淹水组和干燥组,表明湿润土壤环境的土壤微生物活性高,且干燥比淹水更不利于微生物利用碳源物质进行生长, 说明当土壤水分含量达到过饱和状态时,水分添加改变土壤酶和土壤理化性质,限制土壤微生物对一些化合物的分解,因而降低了微生物的活性[73]。然而,靳正忠等[76]及Xi和Bloor[77]的研究发现,降水对土壤微生物的碳源代谢能力没有显著影响。这可能因为土壤微生物的代谢活性还受植物种特性的影响[78]。

2.2 降水对土壤微生物碳源利用的影响

土壤微生物对不同类型碳源的利用强度可以反映土壤肥力与质量的变化,体现其群落结构在碳素物质转化和能量流动中的协同与竞争作用[79]。降水变化改变了土壤养分的平衡和有效性,使微生物群落结构变得不稳定。另外,土壤微生物的碳源利用特点与试验时间长短、生态系统类型、土壤理化性质和土壤基质等多种因素有关,因而呈现出多样化的响应特征[55]。目前关于不同降水条件下土壤微生物群落对不同类型碳源的利用强度具有不确定性。土壤含水量较低的干旱地带,降水增加可以促进土壤的酶活性和异养呼吸微生物的生理变化,从而增加底物的可利用性[8]。如Zhang等[8]发现降水促进半干旱草原土壤细菌对氨基酸、碳水化合物、羧酸和聚合物的利用率。Li等[72]的研究表明,降水增减30%促进了土壤微生物对碳水类化合物碳源的利用率,抑制了对胺类碳源的利用率。张超宇等[70]的研究表明,水分添加显著促进了土壤微生物群落对胺类和酸类的碳源利用率,抑制了对碳水类碳源的利用率。展小云等[78]报道,加水处理促进土壤微生物对胺类的代谢,但未达显著水平。Xi和Bloor[77]的研究也得出相似的结论。这可能是由于蛋白质聚合的调节、氮矿化以及根系分泌物的数量和质量的变化所致。

2.3 降水对土壤微生物多样性指数的影响

降水变化可通过直接改变微生物的生存环境和间接影响植物来影响土壤微生物群落[80]。人们普遍认为,微生物本身对环境水分条件的变化具有不同的适应性。微生物细胞壁的特征决定了其对干湿胁迫的适应性。细胞壁厚实、坚固且原生质对环境变化适应性强的微生物类群能较好的适应土壤的水势变化[81]。Manzoni等[82]的研究发现,真菌对干燥条件的耐受性高于细菌,而革兰氏阴性细菌对土壤水分变化更敏感。主要原因是适应性策略允许土壤真菌通过其广泛的菌丝网络调节渗透压,使真菌将内部水分和养分转移到干燥的斑块上[83]。虽然许多土壤细菌物种具有渗透传导和渗透调节机制,但是它们需要在土壤表面和土壤聚集体内的局部水膜进行分散和底物扩散,故更容易受到干旱的影响[84]。相关研究表明,水分添加可以显著增加土壤真菌[85]和革兰氏阴性菌的相对丰度[62]。

降水通过改变土壤含水量进而影响土壤微生物群落的结构和功能。在水分限制的干旱、半干旱生态系统,降水对土壤微生物多样性具有正效应；在水分充足的湿生环境中,降水增加对土壤微生物多样性具有抑制作用或无显著影响,而降水减少可能通过提高土壤的通透性从而促进了微生物的多样性。一些关于沙漠的研究表明,降水变化可以显著促进土壤真菌群落的丰度,从而改变微生物群落的功能动态[62- 63, 66]。Wang等[86]的研究显示,降水增加和减少均增加了真菌的均匀度和丰富度,而优势度则反之。张超宇等[70]的研究发现,微生物的丰富度指数随水分添加量的增加而增加,表明微生物代谢活动对土壤含水量有很强的依赖性。然而,Klimek[87]的研究发现,水分增加抑制了土壤细菌的丰富度和均匀度指数。王楠楠等[71]的研究表明,降水增减30%对微生物多样性指数无显著影响。这可能是因为植物的生长效应可能会掩盖降水带来的影响,因为降水提高了土壤含水量和有机质含量,但植物的生长及其蒸腾作用的加强反过来又会降低土壤含水量,造成降水对土壤微生物碳源利用能力与对照的差异不显著。

3 水氮交互作用对土壤微生物功能多样性的影响

水和氮是生态系统中常发生耦合的两个因子。首先,N的迁移率和有效性取决于水,降水变化改变了土壤的通透性,对土壤N的硝化和反硝化阶段具有重要的调节作用。其次,土壤N的添加可以通过提高叶片叶绿素含量和Robisco酶的活性来提高植物的光合能力,同时促进了植物的蒸腾作用,导致根系区土壤水分的迅速丧失[88]。第三,N的添加可能会提高植物的生产力,增加植被冠层的光截获并降低土壤表面的蒸发速率[89]。因此,水和氮的交互作用对土壤微生物群落的影响比较复杂,主要有促进作用、拮抗作用、无显著影响3种观点(表3)。

表3 水氮交互作用对土壤微生物功能多样性的影响

(1)促进作用。毕捷等[90]的研究发现,单独施氮和单独增加水分对微生物群落的碳源利用的影响均不显著,而水氮交互作用显著提高了土壤微生物碳源利用效率。他们在贝加尔针茅草原上,连续两年的水分与氮素添加处理发现,土壤微生物群落的C源利用率对水氮交互作用比单独添加N或水更敏感[91]。(2)拮抗作用。水分添加能够减少氮肥对微生物的抑制作用,水分与氮素添加处理改变了微生物的碳源利用模式和功能多样性。Sun等[7]的研究发现,水和氮添加对土壤微生物群落具有拮抗作用。在2012年,N添加可能诱导和扩大水处理的效果,而添加水可能抵消微生物底物利用率对N添加的负效应。水和N之间的单侧正/负相互作用共同影响微生物的底物利用率,这与以上的双侧正相互作用的结论形成对比。此外,在2011年水与氮之间没有存在任何相互作用,这表明水和氮的相互作用对土壤微生物对底物利用率的影响可能仅发生在某些气候条件下,例如在高降雨量的气候条件下。(3)无显著影响。Xi等[77]研究一个模范草原社区的户外中型实验中发现,水氮的交互作用对细菌的多样性和碳源利用率均没有显著影响。当所研究的生态系统已达到氮饱和状态,或氮沉降速率远远低于氮矿化和硝化速率,且水分条件充足,此时少量施氮只是增加很少一部分必需元素,故对系统影响不大。

4 展望

在全球气候变化背景下,氮沉降和降水对土壤微生物的影响日益受到关注。然而,因受微生物种类繁多、土壤系统复杂、生态系统成分间联系复杂和实验水平等因素的影响,关于氮沉降或降水对土壤微生物功能多样性影响的研究尚不完善,特别是有关水氮交互作用下土壤微生物功能多样性的研究十分有限,且利用BIOLOG技术分析土壤微生物功能多样性存在一定的弊端,因此,今后应加强以下内容的研究：

(1)加强有关水氮交互作用下土壤微生物功能多样性的研究。

(2)简化和完善土壤微生物BIOLOG测定程序,降低生产成本和使用成本。由于BIOLOG微孔板的价格较为昂贵,难以普遍应用。应通过持续减少多余的碳源,腾出更多的空间用于重复,用少量的特征碳源代替繁多的碳源来反映土壤微生物群落的变化,可以避免冗余数据的提取和计算,较大程度地减少工作量。

(3)结合多种研究方法,以期全面准确地反映土壤微生物的功能多样性。目前土壤微生物功能多样性的研究方法存在很多困难和障碍。一方面,BIOLOG分析法只能从代谢特性角度反映微生物功能多样性,不能反映具体种属多样性,只有能够利用板上碳源的可培养微生物才能被反映出来；另一方面,多种微生物在BIOLOG微孔板的孔中混合培养后,产生的协同效应或措抗效应会导致微孔板内最终显示的颜色不一定是各种微生物单独产生颜色的简单总和。高通量测序技术提供了更加详细的微生物群落描述,被证明是微生物生态学研究中一个非常强大的技术。因此,想要全面准确反映土壤微生物的功能多样性,还需利用高通量测序技术对微生物群落结构和微生物对环境变化的反应进行全面分析,提高我们在自然生态系统或管理生态系统中生物地球化学循环的认识。

(4)短期和长期实验相结合,更科学和全面地探讨土壤微生物功能多样性对气候变化的响应机制。目前有关土壤微生物功能多样性的研究主要集中在短期试验,研究结果可以反映出微生物对氮沉降和降水的应激效应,但是受到当时气候条件的影响。在长期试验中,土壤微生物自我调节并逐渐适应变化的环境,可以体现长期气候变化对土壤微生物的影响。

(5)加强氮沉降和降水条件下地表植物和土壤微生物间相互作用的研究。氮沉降和降水通过促进地表植物生长和增加其凋落物而间接影响土壤微生物群落,后者通过分解凋落物和改变土壤养分而影响前者。目前鲜有氮沉降和降水变化背景下的土壤微生物和地表植物之间相互作用机制的研究。因此,加强两者关系的研究有助于弄清土壤微生物对全球变化的响应机制。