佘容, 楊曉燕*, 肖文

1.大理大學(xué)東喜瑪拉雅研究院，云南 大理 671003；

2.中國三江并流區(qū)域生物多樣性協(xié)同創(chuàng)新中心，云南 大理 671003

火是地球上一種常見的現(xiàn)象，在地球生命演化進(jìn)程中扮演著非常重要的角色，塑造著萬物生靈[1-3]，在生態(tài)系統(tǒng)的演替過程中發(fā)揮著重要的作用[4]，是生物多樣性產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動力[5-8]。同時，火也是一種劇烈的環(huán)境干擾因素，對生態(tài)系統(tǒng)的影響十分顯著，尤其是在全球變暖和人類活動加劇的當(dāng)下，火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度和頻率將進(jìn)一步增加[9,10]，火對地球生態(tài)系統(tǒng)的影響及火后生態(tài)恢復(fù)將成為21世紀(jì)生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容之一[11]。

微生物是地球上出現(xiàn)最早的生命，棲息在幾乎所有人類可以想象的環(huán)境中。土壤中蘊(yùn)藏著地球上最多樣化的微生物資源，是地球關(guān)鍵元素循環(huán)的引擎，聯(lián)系著大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的物質(zhì)和能量交流，并對土壤結(jié)構(gòu)的形成與維護(hù)以及植物健康生長均起著重要作用[12,13]。同時，土壤微生物還在植被恢復(fù)、生境重建和土壤的穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著非常重要而獨(dú)特的作用[14,15]。可見，土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它的擾動和恢復(fù)過程都會直接影響到地表植被和其他生態(tài)過程[16-18]。近年來，隨著分子生物技術(shù)和分析方法的迅猛發(fā)展[19]，生態(tài)學(xué)中長期被忽視的土壤微生物逐漸得到重視，其在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中的重要性也逐漸得到認(rèn)可[20,21]。因此，本文基于相關(guān)研究文獻(xiàn)，分析火干擾下的土壤微生物研究現(xiàn)狀，探求未來火干擾下森林土壤微生物研究需要關(guān)注的方向，以此助力二十一世紀(jì)的火生態(tài)學(xué)研究及生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)實(shí)踐。

1 火干擾下的森林土壤微生物研究現(xiàn)狀

1.1 火對土壤微生物的影響

目前，關(guān)于火對土壤微生物影響的研究主要是從火后土壤的總生物量、生物量碳、生物量氮、土壤呼吸、土壤酶活等指標(biāo)變化的角度入手，探究火對土壤微生物的影響。近年來，隨著分子生物技術(shù)和分析方法的迅猛發(fā)展，人們逐漸開始對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的火干擾影響作用進(jìn)行了研究?？傮w上，火干擾過程對土壤微生物的作用主要有直接影響和間接影響兩個方面。一方面，在火干擾過程中，土壤表面溫度可以從50 ℃達(dá)到1 500 ℃，而土壤微生物對熱比較敏感，火燒能直接導(dǎo)致土壤微生物的死傷，使得土壤表層微生物的數(shù)量及代謝活性大大降低[22]，且難以在短時間內(nèi)恢復(fù)[23]；另一方面，火燒改變了地面植被和土壤理化性質(zhì)[24]，火燒產(chǎn)生的灰燼逐漸滲透也會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[25-28]，從而間接影響土壤微生物，導(dǎo)致其生物量和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

1.2 影響火干擾作用強(qiáng)度的因素

火對土壤微生物的干擾作用主要受到火燒強(qiáng)度、火燒持續(xù)時間、回火間隔、植被類型、凋落物積累量、土壤深度和降雨量等因素影響，從而導(dǎo)致研究結(jié)論因火燒跡地的不同而存在差異[29,30]。火燒強(qiáng)度是火干擾作用的最主要影響因子，不同的火燒強(qiáng)度產(chǎn)生的溫度差別很大[31]，因而其對土壤微生物的影響也存在顯著差異[32,33]。研究認(rèn)為，隨著火燒強(qiáng)度的增加，微生物生物量會顯著下降，尤其是重度火燒會使土壤微生物生物量明顯減少[34,35]，而輕、中度火燒對土壤微生物生物量的影響不顯著[36]。但有的研究卻發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量的減少程度與火燒強(qiáng)度無相關(guān)性，無論何種強(qiáng)度火燒均能使土壤微生物生物量減少[37]。不同火燒強(qiáng)度對土壤微生物群落和多樣性的影響程度也存在差異，重度火燒能夠明顯改變松樹林土壤的真菌和細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，尤其是真菌的多樣性和豐富度會隨著火燒強(qiáng)度的增加而下降[32]，而Hamman（2007）等的研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度與低強(qiáng)度火干擾后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異微小[38]。回火間隔是指受到反復(fù)火干擾生境中兩次火燒之間的間隔時間，因?yàn)殚g隔時間長短不同，土壤微生物恢復(fù)程度不同，從而導(dǎo)致土壤微生物在多次火燒中的變化也不同。生物量方面，2年一次的反復(fù)火燒所導(dǎo)致的微生物生物量降低幅度較每4年一次的大[39]；群落結(jié)構(gòu)方面，3年一次的反復(fù)火燒會改變土壤真菌群落，而6年一次的則能允許生態(tài)系統(tǒng)重新設(shè)置到與未火燒區(qū)域相似的狀態(tài)[40,41]。此外，土壤深度、降雨量、火燒前的植被類型等也會影響火對土壤微生物的作用強(qiáng)度。土壤對熱傳導(dǎo)有削減作用，火干擾對土壤微生物的直接作用主要在土壤表層（0～5 cm），隨著土壤深度的增加，影響急劇降低[42]，但是，這種削減作用又會受到土壤濕度的影響，隨著濕度增加，土壤對熱傳導(dǎo)的削減作用減弱[43]?；馃苤苯涌焖俚膶⒂袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，在降雨過程中，土壤pH會增加0.5～1個單位。降雨量會影響土壤pH變化的持續(xù)時間，降雨量少的地方可持續(xù)數(shù)年、數(shù)十年，而降雨量豐富的地區(qū)由于火后地面裸露，鹽基大量淋失，火后pH值的增加僅能維持幾個月至1年[44]，而pH與土壤微生物群落密切相關(guān)[45,46]，同時，火后降雨形成的地表徑流將在短期內(nèi)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中磷的流失[47]，也能引起土壤微生物的變化。

1.3 火干擾后的土壤微生物恢復(fù)

火后土壤微生物恢復(fù)的研究主要關(guān)注于自然恢復(fù)狀態(tài)下土壤微生物的恢復(fù)節(jié)律，但已有研究的結(jié)論并不一致：1）生物量方面，有的研究認(rèn)為火燒增加了土壤營養(yǎng)從而導(dǎo)致土壤微生物生物量在火后的急劇增加[48]；而大多的研究則認(rèn)為，火干擾對土壤微生物生物量的作用是負(fù)向的，且作用時間可以持續(xù)3～13年[22]；K?ster (2016)等的研究顯示，火燒跡地土壤微生物生物量甚至需要幾十年的時間才能恢復(fù)[49]；2）群落結(jié)構(gòu)方面，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受火干擾后在早期變化明顯，后期會逐漸恢復(fù)，但不同研究中群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)節(jié)律不一致，尤其是野火和計劃火燒的恢復(fù)節(jié)奏差異很大[50,51]。研究結(jié)論存在差異的原因主要來自火本身的多樣性，即不同火災(zāi)的火燒強(qiáng)度和火燒持續(xù)時間是不同的，造成的影響自然不同，而多數(shù)的研究結(jié)論都是來自某一特定火燒跡地，這必然導(dǎo)致不同的研究結(jié)論。另一方面，火后土壤微生物的變化還受到火燒地立地條件的影響，如火燒前的植被及其壤質(zhì)、火燒地的地形、所處氣候區(qū)域等[28,52,53]。

2 火干擾下土壤微生物研究面臨的問題及可能的解決辦法

2.1 野火發(fā)生的不確定性

森林火干擾主要分野火干擾和計劃火燒干擾兩種類型。相對于計劃火燒，野火的發(fā)生是不確定的，導(dǎo)致野火研究中難以獲得火燒前的背景數(shù)據(jù)，且由于野火發(fā)生過程中火行為的多變性，導(dǎo)致無法對野火的火燒強(qiáng)度及持續(xù)時間進(jìn)行直接測量，更缺少對土壤溫度及其他土壤屬性變化的實(shí)時監(jiān)測，也無法對影響火干擾作用的因素進(jìn)行單因子作用解析與比較。所以未來研究應(yīng)該在基于野外火燒跡地研究結(jié)果的基礎(chǔ)上增加野外控制試驗(yàn)，其優(yōu)勢：一是可以在實(shí)驗(yàn)中通過熱電偶等對火強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時測量，并對持續(xù)時間及土壤溫度的變化等理化性質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，這樣就可以建立火強(qiáng)度、持續(xù)時間與火對土壤微生物擾動程度的定量化關(guān)系[24,54]；二是野外控制實(shí)驗(yàn)可以盡量還原火干擾中及火后自然環(huán)境對土壤微生物的影響，尤其是自然環(huán)境下種質(zhì)資源自由擴(kuò)散對群落重構(gòu)的影響[55]，這對進(jìn)行火后土壤微生物群落演替的理論研究是十分重要的；三是控制實(shí)驗(yàn)可以剖析火因子，如溫度、灰燼等的單獨(dú)作用與協(xié)同作用，研究結(jié)果將進(jìn)一步支撐火干擾影響作用模型的建立。

2.2 土壤微生物類群大，研究技術(shù)有限

鑒于微生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的局限性，目前在土壤微生物研究中，研究人員日益依賴基因組測序技術(shù)，忽視了傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法在微生物研究中的重要性。雖然基因測序技術(shù)有著巨大的潛力并且獲得了很多開拓性的成果，但是該方法畢竟是基于基因序列推導(dǎo)的結(jié)果，難以對其進(jìn)行實(shí)證性的驗(yàn)證。此外，測序技術(shù)本身也存在關(guān)于“種”的定義問題，而這是利用測序技術(shù)對微生物群落物種組成進(jìn)行測度的基礎(chǔ)[56]。另外，基于分子生物學(xué)技術(shù)的功能研究，如轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，此類方法一方面費(fèi)用高昂，另一方面，即使是定義明確的物種，如大腸桿菌，在親緣關(guān)系密切的生物群體中，不同成員的基因組也可能存在很大差異，因此，即使通過系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記找到物種也并不一定意味著有其特定的基因與之相伴[57]。因此，未來還有待加強(qiáng)微生物培養(yǎng)法的改進(jìn)與創(chuàng)新，如根據(jù)基因組測序結(jié)果設(shè)計培養(yǎng)基配方、原位培養(yǎng)等，并加強(qiáng)其在微生物群落功能研究中的應(yīng)用，以驗(yàn)證、補(bǔ)充宏基因組的數(shù)據(jù)[58]。同時，只有在種群明確的情況下，才能開展基于種群到群落的火適應(yīng)機(jī)制、功能相關(guān)性、火后恢復(fù)生態(tài)學(xué)等研究。另外，鑒于火對生物多樣性的促進(jìn)作用，借助培養(yǎng)法開展研究還有利于發(fā)現(xiàn)微生物新種[59,60]。

3 火干擾下土壤微生物研究展望

從目前已經(jīng)發(fā)表的國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，對火干擾下森林土壤微生物的研究尚未得到學(xué)界的足夠重視。與此相對應(yīng)的是，有限的研究也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火對土壤微生物的影響較大，因此，從火視角開展土壤微生物的研究不僅可能極大促進(jìn)一些生態(tài)學(xué)核心問題的突破，也是恢復(fù)生態(tài)學(xué)不可或缺的重要組成部分，同時也有助于火后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)踐。

3.1 加強(qiáng)火干擾下土壤微生物群落構(gòu)建機(jī)制研究

群落構(gòu)建機(jī)制是生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容，也是恢復(fù)生態(tài)理論研究的重要方向[61]，但微生物群落構(gòu)建機(jī)制的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于動植物，已有研究對確定性過程與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對貢獻(xiàn)也尚不清楚[62,63]。各種生境中復(fù)雜的微生物種群和龐大的生物量使微生物群落的時空動態(tài)監(jiān)測變得的非常困難，尤其是微生物群落微小的變化難以被檢測到。因此，要了解清楚確定性過程與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建過程中的作用，需要在自然環(huán)境下，對微生物群落尤其是受干擾后種群數(shù)量急劇減少的微生物群落的重構(gòu)過程進(jìn)行長期監(jiān)測，才能確定隨機(jī)性和確定性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對重要性或者在不同群群落構(gòu)建時期的作用。已有研究表明，火的干擾會顯著降低土壤微生物生物量，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生很多生態(tài)位空斑，甚至重啟土壤微生物群落構(gòu)建[64-66]，這個過程可能會持續(xù)較長時間[23]。因此，從火視角開展火后土壤微生物群落變化的長期監(jiān)測，將有可能解析確定性與隨機(jī)性過程在微生物群落構(gòu)建中的相對作用，尤其是隨機(jī)性群落裝配過程在微生物群落構(gòu)建中的作用，極大推進(jìn)土壤微生物的群落構(gòu)建機(jī)制研究。同時，隨著人們對生物群落演替和聚集機(jī)制研究的推進(jìn)，生態(tài)學(xué)理論在生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐活動中的指導(dǎo)作用越來越受到關(guān)注[67]，加強(qiáng)火后群落構(gòu)建機(jī)制研究，也有利于更好的指導(dǎo)火后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)實(shí)踐。

3.2 加強(qiáng)微生物不同類群間及與其他生物類群的相互關(guān)系研究

不同土壤微生物類群間相互競爭、協(xié)同共存[68,69]，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的功能，而目前火干擾下的土壤微生物研究大多只針對一類微生物，未來研究需整體比較評估不同類別土壤微生物對火干擾的響應(yīng)及其在火后的群落組成和生態(tài)功能的變化，發(fā)掘在火后恢復(fù)過程中的關(guān)鍵功能群及關(guān)鍵物種。另外，生態(tài)系統(tǒng)的各個部分緊密聯(lián)系又相互影響，尤其是土壤微生物，既與地上植被相互作用[70,71]，也與土壤動物相互關(guān)聯(lián)[72,73]，而成功的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)必將是建立在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中多個營養(yǎng)水平上生物群落的協(xié)同恢復(fù)基礎(chǔ)之上的。因此，火干擾下土壤微生物的研究必須考慮與其他生物類群的相互關(guān)系，通過跨越營養(yǎng)、生理和系統(tǒng)發(fā)育水平范圍的研究，方有可能全面理解和預(yù)測火干擾下土壤微生物的演變及影響因素[21,74-76]。

3.3 加強(qiáng)火干擾下土壤微生物生態(tài)功能的研究

研究表明，在火的干擾下土壤微生物群落會發(fā)生明顯變化，但這種變化與土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)系如何？是哪些類群在土壤恢復(fù)的不同階段發(fā)揮生態(tài)學(xué)功能以及是什么樣的功能[77]，目前是還不清楚的，而這對于生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)的理論突破和實(shí)踐都至關(guān)重要。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)和分析方法的發(fā)展，火干擾下的土壤微生物研究日漸增多，但是目前的研究主要針對微生物總量或物種組成方面的變化研究，對功能的影響以及受干擾后的響應(yīng)變化研究是相對缺乏的，而這正是所有研究的最終目的[78]。另一方面，微生物群落中存在功能冗余，面對干擾，群落結(jié)構(gòu)的變化與功能的變化可能是不一致的[79]。因此，在對群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究的同時，必須加強(qiáng)火后不同階段土壤微生物群落功能的研究，同時重點(diǎn)關(guān)注在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)中發(fā)揮重要作用的功能類群以利于恢復(fù)實(shí)踐的開展，達(dá)到有效、快速實(shí)現(xiàn)火后土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的目的。此外，微生物宏觀生態(tài)研究領(lǐng)域也應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因芯片技術(shù)等功能研究手段及分析方法，如共生網(wǎng)絡(luò)分析等服務(wù)于微生物群落功能的研究。

3.4 加強(qiáng)火后土壤微生物的人工恢復(fù)研究

隨著火災(zāi)發(fā)生頻率和強(qiáng)度的增加，火后恢復(fù)必將逐漸納入生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)踐中，但當(dāng)前人類干預(yù)下的生態(tài)恢復(fù)主要關(guān)注地上植被和動物的恢復(fù)[80]，對于土壤，尤其土壤微生物的恢復(fù)研究主要從植被恢復(fù)后土壤微生物會產(chǎn)生的變化角度進(jìn)行了少量的探索[81,82]，而在火后人工恢復(fù)過程中考慮利用土壤微生物為工具進(jìn)行的研究則僅見于Aguirre-Monroy等的關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)恢復(fù)的研究報道[83]，而以土壤微生物為目的的森林火燒跡地人工恢復(fù)研究和實(shí)踐活動目前還是空白。研究表明，土壤微生物對不同的管理措施的響應(yīng)是非常迅速的，而不同的植被恢復(fù)對土壤微生物的影響不同[84]。另外，最新的研究表明，即使植被恢復(fù)，土壤微生物活性和群落組成也沒有恢復(fù)[82]，而土壤，作為生物系統(tǒng)的重要組成部分，其功能發(fā)揮的主角—微生物的修復(fù)是保證生態(tài)恢復(fù)效果持續(xù)且能抵抗干擾的最有效、經(jīng)濟(jì)的途徑[85]。因此，未來的恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究有必要在對火后土壤微生物恢復(fù)相關(guān)功能群研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展功能微生物的人為介入方法研究，以幫助土壤微生物群落的快速恢復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)，從而支撐火后森林生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。