基于文献计量的土壤微生物海拔分布规律研究

周煜杰，贾 夏，赵永华①，王 茜，叶 璇，安毅仁

(1.长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省土地整治重点实验室，陕西 西安 710054；3.长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054)

土壤微生物是地球上最多样化和丰富的生物群落之一，是驱动生物地球化学循环和维持陆地生态系统主要生物资源库的重要引擎[1-2]。土壤微生物生物地理学(水平空间及海拔梯度)研究旨在记录和理解其多样性的空间模式[3]，主要目标是研究微生物群落的空间分布格局及其成因，揭示生物的生境和群落，并确定选择或维持这些生物存在的环境因素[4]。因此，研究海拔多样性格局不仅可以全面理解生态学基本理论，还可以预测气候变化与生态系统的协作关系[5]。山地生态系统中存在明显的垂直分异特征，这为我们理解微生物海拔空间分布和群落组成变化提供了便利。然而，由于不同区域生态系统类型的差异，复杂的气候和植被变化特征使得微生物海拔空间分布研究具有一定的局限性，所以深入理解不同海拔梯度土壤微生物群落结构及其与微生物生态功能的关联模式是微生物学的核心研究目标之一[6]。

第二、三代高通量测序的发展使进一步研究土壤微生物海拔分布格局成为可能[7-10]。尽管土壤微生物驱动着地球上许多重要的生物地球化学循环，但仍然不清楚微生物群落及其多样性沿着海拔梯度存在哪些变化模式，又是哪些生物(植被类型等)或非生物因素(pH值、C/N比、速效磷等)在不同尺度上控制着海拔格局[8-9]，这些差异性是该领域的研究热点之一。因此，详细的文献计量研究和综述可以更好地理解该方向的研究重点和不足。此外，加深对土壤微生物群落结构海拔格局认识，有助于更好地预测这些土壤微生物群落的功能属性或多样性[11]，对微生物生物地理学的发展也有一定的指导意义。

文献计量对综述文章有着重要的支撑作用，其主要是利用统计学等方法定量分析文献及其关键词特征。CiteSpace软件作为重要的文献分析工具，可为微生物海拔格局的差异性研究提供帮助。CiteSpace自开发以来，在各研究领域被广泛应用[12]，其通过可视化方法弥补了传统文献综述的不足，可以直观地表达研究热点[13]。例如，从统计学的角度掌握领域内的研究热点，了解国内外学者的主要研究方向，分析作者和科研机构之间的合作关系，探讨在区域以及全球背景下的最新研究进展[14]。目前在土壤领域有一些最新的基于知识图谱的计量研究，如陈香等[15]研究了近30 a国内外土壤微生物热点与发展趋势，唐浩竣等[16]以“土壤有机碳”为主题词分析总结了土壤学研究前沿及其特征。

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笔者采用可视化文献计量分析软件CiteSpace，并以“土壤微生物(soil microorganisms)”和“海拔梯度(elevation gradient)”作为主题词，对作者(author)和关键词共现网络(co-occurrence network)等进行文献汇总和综合分析。此外，根据最新的国内外研究进展，以传统综述方法系统评述土壤微生物海拔分布格局及其驱动因子研究动态，研究山地生态系统复杂的气候和植被条件下土壤微生物的垂直空间分布具有重要意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

在阅读时，读到精妙处，忍不住击节叫好；读到伤感处，忍不住泪眼婆娑；读到激愤处，耐不住拍案而起；读到诙谐处，禁不住哑然失笑。有了知识的滋润，视野也开阔了许多，人也就逐渐强大起来。

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1.2 研究方法

文献计量学的主要特征是以经验统计规律为核心。CiteSpace作为文献计量的重要工具，主要用于文章关键词共现以及时间结构图可视化，可对文献进行科学统计及深度挖掘[16]。CiteSpace将1组书目记录作为输入，并根据从出版物中获得的网络时间序列，以综合网络的形式对底层领域的知识结构进行建模[14]。将文献数据导入CiteSpace软件进行可视化分析，将时间段(time slicing)设为1997—2020年，节点类型选择国家、作者、关键词、期刊等[14]，主要涉及国内外海拔梯度下土壤微生物研究年发文量的变化趋势、关键词、期刊来源以及高被引文章分析。

2 结果与分析

2.1 发文量时间特征

由图1可知，土壤微生物对海拔梯度的响应研究始于1998年，进入21世纪后，土壤微生物的年发文量逐年攀升并大幅增长[15]，其中在2010—2019年呈倍数增长，2019年国内外发文量分别达60和90篇，表明山地系统土壤微生物群落研究的重要性逐渐凸显[11]。随着时间的推移，学者们开始关注陆地生态系统海拔梯度背景下的土壤微生物群落结构、多样性及其对气候和生态环境变化的响应。

（1）上级部门提升管理能力。管理部门应选拔有经验和专业水平的管理人员加强对石门桂花村景区和工作人员的管理。积极与其他景区进行交流沟通，汲取对方好的管理经验，根据石门桂花村的特点，制定出一套方案。成立专门的小组，选定组长，定期召开会议，讨论加强石门桂花村管理的各项事宜；设立专门的安全管理机构，由专人负责，建立专门的安保部门，加强景区巡逻保卫工作，有效减少和控制安全事故的发生。

2.2 关键词共现图谱

目前，仍然不清楚土壤微生物群落是如何沿着海拔地理梯度变化的，或者是哪些因素在不同的尺度上控制着海拔格局[7]。微生物群落结构与其在生态过程中的作用密切相关，这些关系是生态学理论的核心问题之一[28]。海拔差异可能引起许多环境因素的改变，例如土壤含水量，该因素会间接促进养分含量的变化，从而对底物诱导微生物活性产生强烈影响，形成土壤-植物-微生物的循环模式[62]。在区域空间尺度上，土壤微生物活性表现出明显的海拔梯度分异格局，这些变化趋势的不一致性很可能与气候、森林类型有关[63]。

近年来，国内外对细菌的海拔分布研究较多(表2)。然而，细菌群落及多样性的海拔分布格局依然存在不确定性。研究发现，随海拔升高，大多数细菌组成和多样性以单调递减为主(表2)。例如，BRYANT等[20]研究表明，土壤酸杆菌(Acidobacteria)相对丰度随海拔升高而递减。对于2019年福建戴云山的研究发现，土壤微生物生物量氮、微生物生物量磷含量均随海拔上升而下降[42]。不同的是，SHEN等[48]在东非的最新研究发现，随海拔上升，土壤细菌相对丰度并没有出现典型的线性变化模式，而是出现先减后增的“U”型趋势。此外，还有一些研究表明，沿着海拔梯度上升，土壤微生物群落多样性出现先增后减的“单峰”模式[36,41,46,49]。这几种截然不同的分布趋势很可能是因为取样方法不一致，而不是由其潜在的生态机制所致[65]。然而BRYANT等[20]认为，在细菌群落沿海拔梯度的分布中，非生物因素往往是一种更显著的力量。关于长白山的研究已经证明，土壤pH值对细菌群落的海拔分布贡献最大[9,29,53]。在其他一些区域(日本富士山等地)同样发现，pH值在细菌群落构建中具有重要影响[49,66]。此外，FIERERN等[50]还认为，微生物沿海拔下降并不是温度变化所致，而是因为土壤pH值沿海拔下降导致的。但SEIBERT等[67]的研究与之相悖，他发现pH值随着海拔升高呈现显著递增的趋势。这很可能是由于pH值变化与土壤有机质(SOM)含量相关，因为土壤pH值是SOM分解的重要驱动力[68]，特定的环境和植被条件下可能形成特定的SOM特征，这些因素变化也会导致微生物群落发生变化。此外，植被类型和土壤碳也被认为是全球生物群落中土壤细菌多样性的普遍预测因子[69-70]。

根据国外文献关键词图谱，可以梳理出清晰的研究方向：“森林(forest)”—“海拔(elevation)”—“土壤(soil)”—“真菌(fungi)”—“植被(plant)”—“变化模式(change pattern)”，其形成的关键词网络中各节点不仅联系丰富，且具有较高的成熟度(图2)。因此，森林生态系统是近年来土壤微生物的研究热点，森林生态系统中出现了独特的土壤-微生物-植物相互协作关系，与其他陆地环境的情况大不相同[11]。因此，重视土壤微生物研究、土壤养分的获取及其循环利用，是促进森林生态系统长期发展的必然需求[10]。

多媒体是信息时代的产物。作为一种信息类工具，它具有高效、便捷等特点。多媒体包含很多种类，如听觉媒体（音频、CD）；视觉媒体（幻灯片、投影仪）；视听结合的媒体（电视、电影）、交互媒体（PPT、互联网）等。在初中语文教学中，需要根据教学内容和要求，从这些媒体中选择合适的种类，并有机地整合，使每个媒体充分发挥其在教学中的作用。

2.3 文献共被引聚类特征探析

提高对海拔梯度上微生物多样性模式的认识，对于揭示生态学特征和气候变化的潜在关系至关重要[27]。然而在自然生态系统中，土壤微生物的海拔分布格局是极为复杂的，其生物和非生物条件都会沿海拔梯度发生显著变化[28]，这些因素具体如何影响土壤微生物群落及其多样性变化，机制依然不清晰。除此之外，不同生态系统类型的土壤细菌群落多样性存在几种不同的海拔分布格局，如上升、下降、单峰、“U”型和无显著变化(表2)，但大部分以下降为主。近年来，国内外对细菌的海拔多样性趋势研究较多，而且其群落相对丰度或多样性大多呈沿海拔梯度递减的趋势。相对于细菌，关于土壤真菌海拔分布模式的研究较晚且较少，有限的研究成果表明，真菌群落组成与海拔梯度以负相关关系为主，这与细菌的海拔分布规律大体一致，但依然存在与细菌分布格局类似的多样变化模式。

相对于细菌，关于土壤真菌海拔分布的研究较少，有限的成果表明真菌群落相对丰度与海拔梯度呈负相关关系(表3)，但也存在不同的变化模式。例如，BAHRAM等[69]研究发现，不同森林类型微生物多样性与海拔呈负相关关系，其微生物群落变化主要由寄主植物和海拔差异决定。BAHRAM等[22]发现，在温带原生林中，外生菌根真菌物种丰富度单调下降趋势受到年平均降水量和温度变化的限制。此外，SILES等[10]发现，意大利阿尔卑斯山土壤真菌丰富度从山体基部到顶端呈下降趋势。不同的是，在阿根廷的一项研究表明，真菌丰富度在不同海拔高度区域之间没有显著差异[7]。与细菌类似，WANG等[51]在海拔3 106～4 479 m发现了真菌丰富度的“U”型变化趋势。LIU等[59]研究发现，真菌群落的多样性指数并没有随着海拔的升高而呈现明显的变化趋势。此外，其他大部分研究也发现土壤真菌无明显的海拔分布模式[56]。相对于细菌，真菌与植物特异性和多样性高度相关，而不是直接受到海拔梯度的影响[59,71]。植被的垂直分异性特征进一步导致了微生物群落相对丰度与海拔梯度的负相关模式。因此，不同海拔梯度的土壤特征与植被特异性可能是导致这些差异的主要原因。例如，有研究发现土壤微生物量的空间变化是土壤性质和气候条件的空间异质性共同作用的结果[72]。

根据CiteSpace中的网络叠加功能，统计引用频次强度前10位的作者、发文期刊及年份(表1)。其中，SMITH等[19]的文章被引率最高(强度为 11.64)，该文主要研究菌根共生中营养物质的摄取、转运和转移。其次，BRYANT等[20]沿海拔梯度研究了土壤细菌和植物多样性，发现与细菌相比，植物谱系没有出现明显的空间结构。VAN DER HEIJDEN等[21]的综述表明，陆地生态系统中土壤微生物是优势树种多样性的显著影响因子。BAHRAM等[22]结合形态学和分子鉴定方法，研究了海拔、温度和土壤养分浓度对欧亚大陆温带古老森林外生菌根真菌物种丰富度和群落组成的相对影响。TEDERSOO等[23]报道了真菌遵循类似的动植物生物地理模式，气候因素、土壤特征和空间格局是全球范围内土壤真菌丰富度和群落组成的最佳预测因子。FIERER等[24]研究发现，3种不同栖息地的细菌多样性没有显著的海拔梯度分异，细菌的生物地理模式与动植物有根本差异。相反的是，SHEN等[9]研究发现，不同海拔(植被类型)的土壤细菌群落差异显著，并且群落组成与土壤pH值、C/N比、含水量、总有机碳(TOC)含量显著相关。ISHIDA等[25]研究表明，不同类型树种具有明显的寄主偏好性。与上述研究不同，SCHMIDT等[26]发现，在冰川消退后，土壤的早期营养物质和有机质输入主要以微生物碳和氮固定为主。

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表1 被引频次前10位的作者及发文期刊Table 1 Top 10 most cited frequency authors and journals

2.4 土壤微生物对海拔梯度的响应

共被引文献分析可以清晰地讨论研究热点[18]，在选择摘要、参考文献、作者等作为节点类型后，选取每年被引次数最高的前50篇文章引文构建共被引网络[14]，并将每年的网络结果合成得到文献共被引知识图谱(图3)，总共获得475个节点、1 048条连线，并聚为12类，其模块值Q=0.762 9，平均轮廓值均值S=0.232 8，聚类效果显著。其中，藜麦伴生微生物群(quinoa-associated microbiome)、潜在来源(potential source)、外生菌根真菌菌丝群落(ectomycorrhizal fungal hyphae communities)、高山(high alpine)、土壤基质(soil substrate)、丛枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizal fungi)和土壤pH(soil pH)等是全球海拔梯度下土壤微生物研究领域的热点主题。

表2 土壤细菌群落组成随海拔梯度的变化趋势Table 2 Summary of changes of soil bacterial community compositions with elevation gradient

关键词共现分析不仅可以识别研究主题，还可以较为明确地体现时间规律[14,18]。如图2所示，将“node type(节点类型)”选为关键词，得到关键词共现图谱，其大小反映了关键词出现频次。国内文章中频次较高的关键词为“海拔梯度”和“土壤微生物”，其余依次为“土壤酶”“土壤”“土壤微生物量”“贺兰山”“武夷山”“植被”。在国外期刊中，以“diversity”(多样性)为主要关键词，引用频次最高，其余依次为“soil(土壤)”“fungi(真菌)”“forest(森林)”“climate change (气候变化)”“arbuscularmycorrhizal fungi(丛枝菌根真菌)”和“pattern(格局)”(图2)。国内外文献关键词的频次特征存在一定差异，与国际研究相比，国内研究中频次较高的关键词缺少“森林”，这说明国内不同气候背景下森林生态系统土壤微生物的海拔分布格局依然有待进一步探究。

3 讨论

研究结果发现，“森林(forest)”“海拔(elevation)”“土壤(soil)”“植被(plant)”为主要的关键词特征，这说明森林山地系统微生物的海拔梯度研究是主要热点。一般来说，森林系统为生态服务功能提供关键支撑，如作为碳汇、保护生物多样性等[63-64]。随着树木生长、凋落物沉积和养分吸收，它们对土壤特征的影响变得愈发重要。它们改变土壤的性质，决定土壤的温度、通气性和孔隙度，从而进一步影响土壤微生物群落结构[64]。不仅如此，植物是森林从大气吸收碳的主要驱动因子，而土壤微生物对森林碳循环有很大贡献，它们影响着碳周转以及其他营养物质的供应[63]。

3.1 细菌群落海拔格局及其驱动力

该系统采用WDD35D4角位移传感器作为摆杆的实时姿态检测与反馈装置。WDD35D4角位移传感器采用3.3V电压供电，只有一根信号输出线，由该信号线输出角位移传感器的实时电位值[4]。采用Stm32f103上集成的ADC外设直接测量传感器的电位值，将ADC1的通道10(PC0)配置成模拟输入模式，采用DMA方式将采集到的电位值周期性地存放到指定内存位置，在需要使用该变量时将其取出。摆杆与角位移传感器的转轴连接，系统通过实时测出的电位值，与摆杆处于平衡位置时的电位值进行比较，算出实时偏差并将其传入PID控制器，控制电机纠正偏差，形成一个负反馈系统。

3.2 真菌群落海拔格局及其驱动力

(1)电动汽车入电网时，代理商录入电动汽车当前荷电状态(state of charge, SOC)及离网时的期望SOC，计算电动汽车无序充电(即插即充)方式下充电需求，汇总上传至系统调度。

表3 土壤真菌群落相对丰度及多样性随海拔梯度的变化趋势Table 3 Summary of changes of soil fungal communities compositions with elevation gradient

此外，LAUBER等[73]研究指出，耕地土壤真菌群落组成及其多样性与土壤养分(C/N比和有效磷含量)密切相关。NI等[60]发现，土壤真菌相对丰度与土壤C/N比呈负相关。ROUSK等[74]研究发现，相对于细菌，土壤pH值对优势真菌类群丰度的预测能力较差。然而，近年来的研究表明，pH值对真菌同样有着不可或缺的影响。例如，WANG等[71]研究表明，在典型的西藏森林生态系统中，土壤pH值决定了土壤真菌群落的α多样性，而不是β多样性。一种可能的解释是，土壤pH值在膜结合质子泵和蛋白质稳定性中起着重要作用，从而对微生物构成生理约束。此外，细菌和真菌对土壤pH值的耐受范围不同，细菌对pH值的耐受范围一般比真菌更窄[73]。此外，土壤pH值通过环境因素(如养分有效性、有机碳含量)影响群落结构变化，这些因素往往与土壤pH值同步变化[74]，这些变化进一步驱动了真菌群落的变异。

大量研究表明，相对于细菌，树种丰富度和特异性对真菌群落的正向影响较大，真菌更直接地依赖于树木凋落物和树木生物营养的相互作用，因为许多真菌是专一性根共生体和病原体[75]。例如，在对欧洲古老森林的研究中，土壤真菌群落的丰富性与特定寄主树木的存在有很强的耦合关联性[76]。一般来说，针叶林的总真菌丰富度相对较低，这可能是由于其与互利伙伴的相容性差，或对土壤微生物群落的防御机制强所导致的[77]。植物种类、根系分泌物、凋落物的数量和组成存在显著差异，这有可能改变土壤微生物可用营养基质的类型[76]。反过来，土壤微生物可以通过维持和转化土壤养分，对植物生长产生积极或消极的影响，从而进一步影响植物群落组成[78]。例如，在互利反馈调节中，土壤微生物群落通过调节固氮和矿质养分转化等过程来调节植物-土壤环境。与细菌不同的是，与根系相关的丝状真菌可能延伸到根际，并将植物性状大量遗留到土壤中[79]。

国外文献计量分析数据来自Web of Science引文索引数据库[16]，在高级检索模式下，用关键词“soil microorganism(土壤微生物)”和“elevation gradient(海拔梯度)”进行检索，检索文献类型为“article(文章)”或“review(综述)”。对于国内文献，在中国知网(CNKI)中用主题词“海拔梯度”和“土壤微生物”进行检索。检索文献时间跨度为1997—2020年，总共得到140个中文和642个英文检索结果，以年为单位，选择阈值为前60(Top 60)，之后对每份文献进行仔细筛选(包括作者、关键词等)，并结合人工筛选和HistCite软件补充遗漏的文献[17]。将筛选后的文献信息保存为纯文本(.txt)文件，最终得到717篇相关有效文献。将其作为分析数据样本，进行关键词和文献共被引分析，并生成网络图谱。

4 结论

结合文献综述与CiteSpace可视化方法，分析了1997—2000年海拔梯度背景下土壤微生物群落及多样性研究的关键词和热点方向，综述了山地生态系统土壤微生物的研究进展，并得出以下结论：

(1)从21世纪开始，国内外关于土壤微生物沿海拔梯度变化的论文数量与日俱增，山地生态系统的土壤微生物演变规律和空间分布格局研究取得重大进展。

(2)土壤微生物海拔梯度研究呈多学科交叉融合的状态，“森林”“真菌”“多样性”“植被”“模式”以及“气候变化”为高频关键词，说明在不同优势树种和植被条件下土壤微生物对海拔梯度的响应是近年来研究的热点，同时也是进一步深化研究的方向。

(3)虽然土壤微生物相对丰度及多样性在区域空间尺度上存在明显的海拔格局，然而其海拔梯度变化模式依然存在差异，包括下降、上升、单峰、“U”型、无显著相关5种模式，且细菌和真菌相对丰度及多样性均以下降为主。

(4)在影响土壤微生物群落的环境因素方面，土壤pH值与细菌、真菌群落相对丰度及多样性均存在显著相关性，此外，土壤特征(C/N比和有效磷含量等)和植物种类对真菌群落有较大影响。

5 研究展望

就土壤微生物海拔空间异质性而言，随着基因分子学技术的发展，可以进一步对其分布格局进行深入探索。针对该文的研究结果和一系列重点综述，提出以下研究问题及方向：

(1)作为森林生态系统的重要组成部分，树种的特异性和多样性也是影响微生物群落的重要因素之一。由于植被沿海拔梯度具有明显的垂直分异特征，而植被与土壤微生物之间在养分循环和功能方面联系紧密。因此，结合树种的功能性、依赖性和独立性方法的微生物垂直梯度研究应该是进一步探讨的方向。由于土壤微生物群落与森林优势植被存在密切关系，确定负责特定生态服务功能的分类群(尽可能高的分辨率)显得尤为重要，这有助于更好地理解和控制这些过程的生物和非生物因素。

(2)微生物空间异质性可能是由许多因素造成的，包括在不同环境中运行的空间、时间和系统发育尺度。虽然对于微生物海拔分布的驱动力分析较多，且有关微生物群落的多样性、丰富性和动态性以及它们对环境变化或干扰的响应已得到证实，但此类研究仍然存在不足。考虑到土壤是包含多种非生物和生物特性的复杂系统，没有一个土壤参数可以单独解释单个或多个土壤过程。因此，在今后的土壤微生物研究中，不仅要评估单个土壤因子的影响，而且要评估多个因子对多个过程的联合作用，从而得出环境-微生物群落功能耦合的确切结论。

(3)土壤微生物垂直变异如何响应全球温度上升、降水以及极端天气等气候变化，以及如何响应植被群落演替、人工干预以及火灾(通过影响土壤水分和资源的有效性)等事件，对于了解空间与微生物的连接性至关重要，也是识别气候生态系统反馈能力的核心要素。因此，在今后的研究中还需了解不同土壤微生物群对外界环境扰动的弹性限度，以及是否存在临界点，通过模型是否可以预测其对生态系统功能的影响，这将对陆地生态系统调控以及垂直分异性研究提供进一步支持。

(4)此外，由于自然群落研究不能代替严格的实验和假设检验，且不同区域的气候类型差异使土壤微生物海拔分布存在变化，大规模的研究可能不适合探讨海拔、植物和土壤微生物多样性3者之间的微妙联系。因此，需根据不同研究区的地形差异和环境特异性，调整采样深度和样点设置规模，从不同的尺度规模分析土壤微生物群落及其多样性的海拔分布模式，进一步验证土壤微生物对海拔梯度的响应。除此之外，充分利用地理信息系统手段进行空间格局分布模拟，揭示区域尺度上土壤特征、微生物群落含量水平及其变异程度，进一步量化其与相关环境因素之间的关系，成为未来土壤微生物海拔格局研究的重中之重。