高寒生态系统土壤微生物研究进展

喻 武，王君惠，李小熊，丁宇浩，黄莎琳

(西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000)

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分[1-2]，尤其在能量流动及物质循环中发挥着重要作用，如促进有机质的分解以及转化、污染物的降解等过程[3-4]，故被誉为地球元素生物地球化学循环(Biogeochemical cycling，BGC)的引擎[5-6].评价土壤微生物指标，不仅能反映土壤质量的变化，又能预测土壤的健康状况[7-11].高寒生态系统具有独特的分布区域，如一些高海拔、气候寒冷地区[12-13].该地区土壤养分匮乏，生态系统脆弱，虽环境恶劣，但仍存有大量微生物，它们对这种极端环境生态平衡的维持产生极其重要的作用[14-15].因此，研究高寒地区土壤微生物对全球气候变化、维持高寒生态系统稳定等方面具有重要意义[16-18].

在全球变暖的背景下，水土流失、土壤盐渍化等问题日益凸显，环境变化的影响成为高寒区土壤微生物研究的最大瓶颈.目前，高寒区土壤微生物研究还处于起步阶段，本文综述了高寒生态系统中不同生境下土壤微生物数量、群落结构以及多样性的变化特征，为阐明高寒生态系统对气候变化的响应及反馈机理提供依据，以期为后续区域土壤微生物相关研究的创新和突破提供科学参考.

1 高寒生态系统土壤微生物数量研究

土壤微生物数量是反映土壤生态系统综合特征的重要指标，是微生物研究的主要内容.微生物对环境条件极其敏感，土壤条件的微小改变将会导致微生物数量发生变化.纵观国内外文献，不同植被类型、环境条件下土壤微生物的数量研究愈来愈多.目前，已有学者对北极苔原[19]、南极地区[20]、阿尔卑斯山地苔原[21]、落基山脉[22]、青藏高原[23]等不同类型、条件下的高寒生态系统土壤微生物的数量进行了较系统的研究.

1.1 不同土地退化程度下的微生物数量变化特征

不同土地退化程度影响土壤通透性，进而影响土壤微生物的繁殖，因此，微生物数量也存在一定差异.大量研究表明:随着土地退化程度的加剧，高寒草甸土壤微生物数量大幅度减少，如天祝高寒草地[24]、玛曲高寒草甸[25].于健龙和石红霄[26]研究发现，土壤微生物数量随着土地退化程度加剧而减少，其中真菌数量显著降低，而刘世贵[27]、姚宝辉[28]等认为，在土地退化过程中，细菌数量明显减少，但也有研究表明轻度退化草地土壤微生物数量较正常草地有所增加[29].究其原因，不同土地退化程度下土壤微生物数量与土壤水分[30]、通透性[31]、有机质[32]、酸碱性[33]等因子密切相关.

1.2 不同土层深度下土壤微生物数量变化特征

高寒生态系统冻土分布广泛，冻土中的微生物在应对全球变化、生态系统演变、物质循环等方面为人类提供重要线索.陈泓硕[34]认为，季节性冻融改变了微生物数量，尤以冻融后期最大；张宝贵等[35]发现，随冻土退化程度增加细菌数量显著下降，表明从土壤微生物数量分布状况来看，具有显著的垂直分布特色，尤以表层土壤居多，其存在数量和土层深度成反相关系[36-37].随着土壤深度的增加，由季冻土过渡到永冻土，这些土壤中贮藏着大量有机质，易被微生物代谢利用，因而不同土壤深度微生物数量存在差异.

1.3 不同土地利用方式下土壤微生物数量变化特征

不同土地利用方式下，土壤理化性质(如容重、孔隙度、酸碱性等)、植被覆盖类型等存在一定差异，土壤微生物数量也必然存在一定差异.李晓东[38]经过两年研究发现，在黄土高原围封和放牧两种土地利用方式下土壤微生物量与土壤水分和生物量显著相关，与温度相关性不显著；彭木等[39]对东北地区农田、林地和盐碱草地的土壤分析时发现，碱斑土中放线菌数量最高，但真菌数量低于林地土和农田土，农田土的细菌数量普遍低于林地土，这与李雪梦[40]在内蒙古的研究结果一致，与在青藏高原发现的真菌对土地利用方式的响应较细菌敏感结果不同[41].不同土地利用方式会改变土壤结构，土壤结构一旦遭到破坏，便会阻碍土壤微生物的生长繁殖，因此，微生物数量也存在明显差异.

1.4 不同地形条件下土壤微生物数量的变化特征

微生物数量受多种环境要素制约，如海拔、坡向等地形因子通过影响该地区水热条件，破坏其土壤条件，进而改变微生物数量，在高海拔地区，土壤微生物数量受地形的影响则更为复杂.任佐华等[42]发现，海拔升高导致温度降低改变了土壤微生物活性，使海拔与微生物数量呈显著负相关，与陈懂懂[43]在青藏高原东缘结论相一致.而于健龙等[44]指出，随着海拔的升高，微生物数量呈先增加后降低的趋势，符合植物群落多样性的“中间高度膨胀”理论[38].张倩[45]对青藏高原高寒草甸的研究发现:西北坡三种微生物数量最低，东坡细菌数最高，南坡真菌和放线菌数量最高.

2 高寒生态系统土壤微生物群落结构研究

土壤条件的改变将直接或间接地影响微生物群落结构，进而影响生态系统功能和稳定.开展高寒生态系统微生物群落结构及其对气候变化的响应，对预测生态系统的演变过程具有重要意义.

2.1 土壤微生物群落结构对温度的响应

高寒地区土壤微生物代谢活性受到温度的限制，对温度的响应异常敏感.增温能够增加植物的光合作用，增加植物凋落物和根际分泌物[46-47]，进而影响土壤微生物群落结构.国内外学者开展了大量微生物对增温响应的研究.Deslippe等[48]对北极地区长达18年增温实验发现，长期增温能改变微生物群落结构，并导致细菌群落均一度降低，真菌群落均一度增加；Hartley等[49]发现，温度升高能够增加CO2的排放，并引起微生物群落的改变，导致土壤有机碳的丢失；Yergeau等[50]对南极增温模拟实验发现，土壤中细菌和真菌的丰度随温度升高呈快速增加趋势；赵银[51]对青藏高原高寒草甸的研究中发现，土壤温度对微生物类群具有显著的负相关作用；Glanville等[52]以北极高寒苔原积雪覆盖下的植被为对象，对其地下微生物的研究中发现，土壤微生物群落在积雪融化72 h后迅速做出反应.

2.2 土壤微生物群落结构对季节性变化的响应

在高寒生态系统中，土壤微生物群落结构具有明显的季节性差异.相关研究表明，在生长季时，土壤微生物群落以细菌为主[53]，在非生长季时，土壤微生物群落以真菌群落为主[54]；Lipson和Schmidt[55]发现，土壤细菌群落的结构组成存在明显的季节性变化，Schadt等[56]也发现类似规律，且夏季和冬季尤其不同，此外，受季节变化这个因素的影响，土壤中存在的细菌和真菌之间的比例也有一定的差异；Nemergut等[57]强调，夏季气温较高，植物生长代谢产生大量根际分泌物，加速细菌繁殖，而真菌群落在秋季占主导地位，入冬后，天气寒冷，为嗜冷微生物的活动提供了条件.

2.3 土壤微生物群落结构对氮沉降和氮浓度的响应

近几十年来石化燃料燃烧、过度使用化肥等使空气中含氮化合物等急剧增加，导致大气氮沉降现象加剧，氮沉降的增加呈现出全球化趋势[58-59].Deslippe等[60]在高山苔原气候变暖和大气氮沉降对土壤微生物影响的模拟实验中发现，施肥导致土壤外生菌根真菌多样性降低；Nemergut等[61]和Liu等[62]在落基山脉高山苔原以及青藏高原高寒草甸的研究表明，土壤真菌、细菌群落对施肥均有响应；Wessén等[63]利用定量PCR研究发现，不同类群细菌对氮沉降有不同程度的响应，与Ramirez等[64]研究结果相同；Fierer等[65]认为，氮沉降会改变土壤营养型微生物群落结构.

相关研究者在实际研究过程中发现，若处于低氮环境下，从松林外生菌根真菌群落来看，和对照样地相比有显著的不足[66]，Compton[67]在研究中同样发现，如果土壤施加氮肥，对土壤微生物群落结构会产生一定程度的影响；Deforest等[68]在实际研究中发现，哈佛森林随着慢性氮增加，对微生物群落组成以及丰富度等不能产生显著影响.

3 高寒生态系统土壤微生物多样性研究

土壤中生存着数量巨大、种类繁多、功能活跃的微生物群落，是最丰富的微生物资源库[69].受高寒生态系统环境条件的影响，土壤微生物通过其多样性，表现出对该环境的适应性[70-71].在土壤微生物的研究中，主要就丰度、种属等方面研究，研究其群落多样性、遗传多样性及功能多样性[72-74].开展高寒生态系统微生物多样性的研究，为有效应对全球气候变化提供了智力保障.

3.1 土壤微生物群落多样性研究

土壤微生物群落多样性反映了群落对外界环境响应的动态变化[75]，研究其多样性能够为解决森林生态环境失衡，原始森林的保护以及利用等提供理论方面的基础[76].在对土壤微生物群落功能研究时，多样性是重要指标之一[77]，对明确评价土壤肥力特征具有重要意义.部分学者针对冻土区、高寒草甸等地区的土壤进行了研究，分析了其土壤微生物生物群落多样性，并揭示其变化规律.伍文宪[78]等采用IlluminaHiseq测序平台对土壤细菌和真菌进行基因测序发现，土壤细菌、真菌群落丰富度和多样性均无明显差异；Wu等[79]发现，青藏高原土壤细菌群落多样性差异显著；田地等[80]研究发现，在CO2泄漏量和泄漏时间不同的情况下，农田土壤细菌丰富度和群落多样性均存在差异.

3.2 土壤微生物遗传多样性研究

土壤微生物系统具有丰富的遗传多样性，较高的遗传多样性是维持生态系统稳定的关键.其多样性来自微生物本身，一方面与其多样化的遗传信息有关，另一方面与其自身的遗传物质有关[81].Long等[81]在青藏高原土壤原油降解菌的研究中，获取了53种微生物以及与其相对应的94种降解酶基因，与极低环境和海洋环境相比，其降解酶基因多样性有一定不足；卢晓飞[82]利用同源克隆、pUC19质粒文库克隆、Fosmid文库等方法得到75条新丝氨酸蛋白酶基因片段、7条新类蛋白酶基因片段、2个新蛋白酶基因序列；李春楠等[83]对不同种植地和发育时期的水稻根际土壤微生物研究发现，遗传距离差异极显著，但不同品种水稻差异不显著.与高等动物相比，不同微生物所携带遗传物质差异很大[84].

3.3 土壤微生物功能多样性研究

土壤微生物在功能上具有多样性，与其群落执行功能的范围有直接的关系，如针对植物生长的有效调控功能等[84].近年来，国内外研究主要集中在对土壤微生物功能多样性对环境变化及人为干扰的响应，而有关不同植被类型土壤微生物群落功能多样性的研究较少[85-86].有研究表明，与原生态地或自然恢复地相比，经过人工种植之后，其土壤微生物功能多样性更为显著，这说明人工种植能对植被多样性以及盖度等产生一定程度的促进作用[87]；韩冬雪等[88]发现，碳水类、氨基酸类碳源等充分利用，对土壤微生物功能多样性产生显著影响；也研究表明，森林火灾能增加土壤真菌的功能多样性，降低细菌功能多样性[89]，但受灾样地的土壤真菌功能多样性指数都比未烧区高[90]，这说明火灾过后真菌能很快恢复活力，对灾后森林恢复有着潜在的重要性[91].

4 研究展望

微生物是生物化学循环系统中的重要驱动者，其群落结构影响着生态系统的稳定.目前，对高寒生态系统土壤微生物的研究集中在微生物数量、群落结构与多样性为中心的基本技术体系，在深度和广度上都打破了对细菌、真菌以及放线菌等的传统认知，着重于土壤养分的转化等方面的过程.在微生物的数量、群落结构及其多样性等方面取得了长足发展，在应对全球气候变化与环境修复等方面也成效显著[92-93]，但和欧美等国家相比，仍存在一定程度的差距.全球变化背景下，未来高寒区土壤微生物研究将面临以下挑战:第一，高寒、缺氧、紫外线强等环境条件，对开展高寒地区相关研究带来了极大困难；第二，维持高寒生态系统功能稳定性及其对气候变化起调节作用的关键微生物种类；第三，冻融交替时土壤有机质转化过程中微生物群落结构演变过程；第四，高寒区土壤微生物的研究还局限在传统的技术手段，技术滞后制约了其发展.为解决上述科学问题，可考虑采纳以下建议:

(1)随着高海拔地区土壤微生物研究的不断发展，学者之间、研究机构之间学术合作交流日益密切，通过相互之间的合作交流，能够有效拓展研究的范围和深度，同时也能促进新技术的研发.

(2)作为气候变暖的敏感区，以高寒地区为对象，揭示其对气候变化的影响，一方面对陆地生态系统的稳定性以及功能会产生影响，同时也对人类生产、生活产生影响.最大程度发挥微生物群落在环境修复中的作用仍是当下研究的重点.可考虑建立野外长期定位观测站，观测、模拟气候变化规律，揭示土壤微生物群落对温度、大气氮沉降、CO2浓度的响应，同时揭示其对全球气候变化所产生的响应以及反馈机制.此外，野外模拟试验需要考虑气候变化的真实情况，对多个环境因子的综合影响和耦合作用加以深入系统研究，揭示受微生物群落的影响，在全球变暖过程中揭示了前者对后者所产生的调节功能，以及所产生的适应机制[94].

(3)高寒区冻融交替过程中，伴随着有机质转化，土壤冻结、融化过程对有机质分解速率产生影响，同时，土壤微生物群落结构在有机质转化过程中也发生变化，今后可融合分子生物学、同位素标记等技术深入分析冻融交替演变过程对土壤微生物结构及功能的影响.

(4)新一代分子生物技术日渐革新，在未来研究中需综合应用高通量测序、稳定同位素探测(SIP)、基因芯片等新兴技术手段，以消除传统研究技术固有的偏差，对探索发现新的微生物过程机理具有里程碑意义.