喻 武，王君惠，李小熊，丁宇浩，黃莎琳

(西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]，尤其在能量流動(dòng)及物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，如促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解以及轉(zhuǎn)化、污染物的降解等過程[3-4]，故被譽(yù)為地球元素生物地球化學(xué)循環(huán)(Biogeochemical cycling，BGC)的引擎[5-6].評(píng)價(jià)土壤微生物指標(biāo)，不僅能反映土壤質(zhì)量的變化，又能預(yù)測(cè)土壤的健康狀況[7-11].高寒生態(tài)系統(tǒng)具有獨(dú)特的分布區(qū)域，如一些高海拔、氣候寒冷地區(qū)[12-13].該地區(qū)土壤養(yǎng)分匱乏，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，雖環(huán)境惡劣，但仍存有大量微生物，它們對(duì)這種極端環(huán)境生態(tài)平衡的維持產(chǎn)生極其重要的作用[14-15].因此，研究高寒地區(qū)土壤微生物對(duì)全球氣候變化、維持高寒生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要意義[16-18].

在全球變暖的背景下，水土流失、土壤鹽漬化等問題日益凸顯，環(huán)境變化的影響成為高寒區(qū)土壤微生物研究的最大瓶頸.目前，高寒區(qū)土壤微生物研究還處于起步階段，本文綜述了高寒生態(tài)系統(tǒng)中不同生境下土壤微生物數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)以及多樣性的變化特征，為闡明高寒生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)及反饋機(jī)理提供依據(jù)，以期為后續(xù)區(qū)域土壤微生物相關(guān)研究的創(chuàng)新和突破提供科學(xué)參考.

1 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量研究

土壤微生物數(shù)量是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)綜合特征的重要指標(biāo)，是微生物研究的主要內(nèi)容.微生物對(duì)環(huán)境條件極其敏感，土壤條件的微小改變將會(huì)導(dǎo)致微生物數(shù)量發(fā)生變化.縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)，不同植被類型、環(huán)境條件下土壤微生物的數(shù)量研究愈來愈多.目前，已有學(xué)者對(duì)北極苔原[19]、南極地區(qū)[20]、阿爾卑斯山地苔原[21]、落基山脈[22]、青藏高原[23]等不同類型、條件下的高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的數(shù)量進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究.

1.1 不同土地退化程度下的微生物數(shù)量變化特征

不同土地退化程度影響土壤通透性，進(jìn)而影響土壤微生物的繁殖，因此，微生物數(shù)量也存在一定差異.大量研究表明:隨著土地退化程度的加劇，高寒草甸土壤微生物數(shù)量大幅度減少，如天祝高寒草地[24]、瑪曲高寒草甸[25].于健龍和石紅霄[26]研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量隨著土地退化程度加劇而減少，其中真菌數(shù)量顯著降低，而劉世貴[27]、姚寶輝[28]等認(rèn)為，在土地退化過程中，細(xì)菌數(shù)量明顯減少，但也有研究表明輕度退化草地土壤微生物數(shù)量較正常草地有所增加[29].究其原因，不同土地退化程度下土壤微生物數(shù)量與土壤水分[30]、通透性[31]、有機(jī)質(zhì)[32]、酸堿性[33]等因子密切相關(guān).

1.2 不同土層深度下土壤微生物數(shù)量變化特征

高寒生態(tài)系統(tǒng)凍土分布廣泛，凍土中的微生物在應(yīng)對(duì)全球變化、生態(tài)系統(tǒng)演變、物質(zhì)循環(huán)等方面為人類提供重要線索.陳泓碩[34]認(rèn)為，季節(jié)性凍融改變了微生物數(shù)量，尤以凍融后期最大；張寶貴等[35]發(fā)現(xiàn)，隨凍土退化程度增加細(xì)菌數(shù)量顯著下降，表明從土壤微生物數(shù)量分布狀況來看，具有顯著的垂直分布特色，尤以表層土壤居多，其存在數(shù)量和土層深度成反相關(guān)系[36-37].隨著土壤深度的增加，由季凍土過渡到永凍土，這些土壤中貯藏著大量有機(jī)質(zhì)，易被微生物代謝利用，因而不同土壤深度微生物數(shù)量存在差異.

1.3 不同土地利用方式下土壤微生物數(shù)量變化特征

不同土地利用方式下，土壤理化性質(zhì)(如容重、孔隙度、酸堿性等)、植被覆蓋類型等存在一定差異，土壤微生物數(shù)量也必然存在一定差異.李曉東[38]經(jīng)過兩年研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原圍封和放牧兩種土地利用方式下土壤微生物量與土壤水分和生物量顯著相關(guān)，與溫度相關(guān)性不顯著；彭木等[39]對(duì)東北地區(qū)農(nóng)田、林地和鹽堿草地的土壤分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，堿斑土中放線菌數(shù)量最高，但真菌數(shù)量低于林地土和農(nóng)田土，農(nóng)田土的細(xì)菌數(shù)量普遍低于林地土，這與李雪夢(mèng)[40]在內(nèi)蒙古的研究結(jié)果一致，與在青藏高原發(fā)現(xiàn)的真菌對(duì)土地利用方式的響應(yīng)較細(xì)菌敏感結(jié)果不同[41].不同土地利用方式會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，土壤結(jié)構(gòu)一旦遭到破壞，便會(huì)阻礙土壤微生物的生長繁殖，因此，微生物數(shù)量也存在明顯差異.

1.4 不同地形條件下土壤微生物數(shù)量的變化特征

微生物數(shù)量受多種環(huán)境要素制約，如海拔、坡向等地形因子通過影響該地區(qū)水熱條件，破壞其土壤條件，進(jìn)而改變微生物數(shù)量，在高海拔地區(qū)，土壤微生物數(shù)量受地形的影響則更為復(fù)雜.任佐華等[42]發(fā)現(xiàn)，海拔升高導(dǎo)致溫度降低改變了土壤微生物活性，使海拔與微生物數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)，與陳懂懂[43]在青藏高原東緣結(jié)論相一致.而于健龍等[44]指出，隨著海拔的升高，微生物數(shù)量呈先增加后降低的趨勢(shì)，符合植物群落多樣性的“中間高度膨脹”理論[38].張倩[45]對(duì)青藏高原高寒草甸的研究發(fā)現(xiàn):西北坡三種微生物數(shù)量最低，東坡細(xì)菌數(shù)最高，南坡真菌和放線菌數(shù)量最高.

2 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究

土壤條件的改變將直接或間接地影響微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定.開展高寒生態(tài)系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，對(duì)預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的演變過程具有重要意義.

2.1 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的響應(yīng)

高寒地區(qū)土壤微生物代謝活性受到溫度的限制，對(duì)溫度的響應(yīng)異常敏感.增溫能夠增加植物的光合作用，增加植物凋落物和根際分泌物[46-47]，進(jìn)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu).國內(nèi)外學(xué)者開展了大量微生物對(duì)增溫響應(yīng)的研究.Deslippe等[48]對(duì)北極地區(qū)長達(dá)18年增溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長期增溫能改變微生物群落結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致細(xì)菌群落均一度降低，真菌群落均一度增加；Hartley等[49]發(fā)現(xiàn)，溫度升高能夠增加CO2的排放，并引起微生物群落的改變，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的丟失；Yergeau等[50]對(duì)南極增溫模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中細(xì)菌和真菌的豐度隨溫度升高呈快速增加趨勢(shì)；趙銀[51]對(duì)青藏高原高寒草甸的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤溫度對(duì)微生物類群具有顯著的負(fù)相關(guān)作用；Glanville等[52]以北極高寒苔原積雪覆蓋下的植被為對(duì)象，對(duì)其地下微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落在積雪融化72 h后迅速做出反應(yīng).

2.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)季節(jié)性變化的響應(yīng)

在高寒生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)性差異.相關(guān)研究表明，在生長季時(shí)，土壤微生物群落以細(xì)菌為主[53]，在非生長季時(shí)，土壤微生物群落以真菌群落為主[54]；Lipson和Schmidt[55]發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成存在明顯的季節(jié)性變化，Schadt等[56]也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，且夏季和冬季尤其不同，此外，受季節(jié)變化這個(gè)因素的影響，土壤中存在的細(xì)菌和真菌之間的比例也有一定的差異；Nemergut等[57]強(qiáng)調(diào)，夏季氣溫較高，植物生長代謝產(chǎn)生大量根際分泌物，加速細(xì)菌繁殖，而真菌群落在秋季占主導(dǎo)地位，入冬后，天氣寒冷，為嗜冷微生物的活動(dòng)提供了條件.

2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)氮沉降和氮濃度的響應(yīng)

近幾十年來石化燃料燃燒、過度使用化肥等使空氣中含氮化合物等急劇增加，導(dǎo)致大氣氮沉降現(xiàn)象加劇，氮沉降的增加呈現(xiàn)出全球化趨勢(shì)[58-59].Deslippe等[60]在高山苔原氣候變暖和大氣氮沉降對(duì)土壤微生物影響的模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施肥導(dǎo)致土壤外生菌根真菌多樣性降低；Nemergut等[61]和Liu等[62]在落基山脈高山苔原以及青藏高原高寒草甸的研究表明，土壤真菌、細(xì)菌群落對(duì)施肥均有響應(yīng)；Wessén等[63]利用定量PCR研究發(fā)現(xiàn)，不同類群細(xì)菌對(duì)氮沉降有不同程度的響應(yīng)，與Ramirez等[64]研究結(jié)果相同；Fierer等[65]認(rèn)為，氮沉降會(huì)改變土壤營養(yǎng)型微生物群落結(jié)構(gòu).

相關(guān)研究者在實(shí)際研究過程中發(fā)現(xiàn)，若處于低氮環(huán)境下，從松林外生菌根真菌群落來看，和對(duì)照樣地相比有顯著的不足[66]，Compton[67]在研究中同樣發(fā)現(xiàn)，如果土壤施加氮肥，對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響；Deforest等[68]在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，哈佛森林隨著慢性氮增加，對(duì)微生物群落組成以及豐富度等不能產(chǎn)生顯著影響.

3 高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物多樣性研究

土壤中生存著數(shù)量巨大、種類繁多、功能活躍的微生物群落，是最豐富的微生物資源庫[69].受高寒生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境條件的影響，土壤微生物通過其多樣性，表現(xiàn)出對(duì)該環(huán)境的適應(yīng)性[70-71].在土壤微生物的研究中，主要就豐度、種屬等方面研究，研究其群落多樣性、遺傳多樣性及功能多樣性[72-74].開展高寒生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性的研究，為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供了智力保障.

3.1 土壤微生物群落多樣性研究

土壤微生物群落多樣性反映了群落對(duì)外界環(huán)境響應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化[75]，研究其多樣性能夠?yàn)榻鉀Q森林生態(tài)環(huán)境失衡，原始森林的保護(hù)以及利用等提供理論方面的基礎(chǔ)[76].在對(duì)土壤微生物群落功能研究時(shí)，多樣性是重要指標(biāo)之一[77]，對(duì)明確評(píng)價(jià)土壤肥力特征具有重要意義.部分學(xué)者針對(duì)凍土區(qū)、高寒草甸等地區(qū)的土壤進(jìn)行了研究，分析了其土壤微生物生物群落多樣性，并揭示其變化規(guī)律.伍文憲[78]等采用IlluminaHiseq測(cè)序平臺(tái)對(duì)土壤細(xì)菌和真菌進(jìn)行基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌、真菌群落豐富度和多樣性均無明顯差異；Wu等[79]發(fā)現(xiàn)，青藏高原土壤細(xì)菌群落多樣性差異顯著；田地等[80]研究發(fā)現(xiàn)，在CO2泄漏量和泄漏時(shí)間不同的情況下，農(nóng)田土壤細(xì)菌豐富度和群落多樣性均存在差異.

3.2 土壤微生物遺傳多樣性研究

土壤微生物系統(tǒng)具有豐富的遺傳多樣性，較高的遺傳多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵.其多樣性來自微生物本身，一方面與其多樣化的遺傳信息有關(guān)，另一方面與其自身的遺傳物質(zhì)有關(guān)[81].Long等[81]在青藏高原土壤原油降解菌的研究中，獲取了53種微生物以及與其相對(duì)應(yīng)的94種降解酶基因，與極低環(huán)境和海洋環(huán)境相比，其降解酶基因多樣性有一定不足；盧曉飛[82]利用同源克隆、pUC19質(zhì)粒文庫克隆、Fosmid文庫等方法得到75條新絲氨酸蛋白酶基因片段、7條新類蛋白酶基因片段、2個(gè)新蛋白酶基因序列；李春楠等[83]對(duì)不同種植地和發(fā)育時(shí)期的水稻根際土壤微生物研究發(fā)現(xiàn)，遺傳距離差異極顯著，但不同品種水稻差異不顯著.與高等動(dòng)物相比，不同微生物所攜帶遺傳物質(zhì)差異很大[84].

3.3 土壤微生物功能多樣性研究

土壤微生物在功能上具有多樣性，與其群落執(zhí)行功能的范圍有直接的關(guān)系，如針對(duì)植物生長的有效調(diào)控功能等[84].近年來，國內(nèi)外研究主要集中在對(duì)土壤微生物功能多樣性對(duì)環(huán)境變化及人為干擾的響應(yīng)，而有關(guān)不同植被類型土壤微生物群落功能多樣性的研究較少[85-86].有研究表明，與原生態(tài)地或自然恢復(fù)地相比，經(jīng)過人工種植之后，其土壤微生物功能多樣性更為顯著，這說明人工種植能對(duì)植被多樣性以及蓋度等產(chǎn)生一定程度的促進(jìn)作用[87]；韓冬雪等[88]發(fā)現(xiàn)，碳水類、氨基酸類碳源等充分利用，對(duì)土壤微生物功能多樣性產(chǎn)生顯著影響；也研究表明，森林火災(zāi)能增加土壤真菌的功能多樣性，降低細(xì)菌功能多樣性[89]，但受災(zāi)樣地的土壤真菌功能多樣性指數(shù)都比未燒區(qū)高[90]，這說明火災(zāi)過后真菌能很快恢復(fù)活力，對(duì)災(zāi)后森林恢復(fù)有著潛在的重要性[91].

4 研究展望

微生物是生物化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)中的重要驅(qū)動(dòng)者，其群落結(jié)構(gòu)影響著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.目前，對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的研究集中在微生物數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)與多樣性為中心的基本技術(shù)體系，在深度和廣度上都打破了對(duì)細(xì)菌、真菌以及放線菌等的傳統(tǒng)認(rèn)知，著重于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化等方面的過程.在微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及其多樣性等方面取得了長足發(fā)展，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化與環(huán)境修復(fù)等方面也成效顯著[92-93]，但和歐美等國家相比，仍存在一定程度的差距.全球變化背景下，未來高寒區(qū)土壤微生物研究將面臨以下挑戰(zhàn):第一，高寒、缺氧、紫外線強(qiáng)等環(huán)境條件，對(duì)開展高寒地區(qū)相關(guān)研究帶來了極大困難；第二，維持高寒生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性及其對(duì)氣候變化起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵微生物種類；第三，凍融交替時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中微生物群落結(jié)構(gòu)演變過程；第四，高寒區(qū)土壤微生物的研究還局限在傳統(tǒng)的技術(shù)手段，技術(shù)滯后制約了其發(fā)展.為解決上述科學(xué)問題，可考慮采納以下建議:

(1)隨著高海拔地區(qū)土壤微生物研究的不斷發(fā)展，學(xué)者之間、研究機(jī)構(gòu)之間學(xué)術(shù)合作交流日益密切，通過相互之間的合作交流，能夠有效拓展研究的范圍和深度，同時(shí)也能促進(jìn)新技術(shù)的研發(fā).

(2)作為氣候變暖的敏感區(qū)，以高寒地區(qū)為對(duì)象，揭示其對(duì)氣候變化的影響，一方面對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生影響.最大程度發(fā)揮微生物群落在環(huán)境修復(fù)中的作用仍是當(dāng)下研究的重點(diǎn).可考慮建立野外長期定位觀測(cè)站，觀測(cè)、模擬氣候變化規(guī)律，揭示土壤微生物群落對(duì)溫度、大氣氮沉降、CO2濃度的響應(yīng)，同時(shí)揭示其對(duì)全球氣候變化所產(chǎn)生的響應(yīng)以及反饋機(jī)制.此外，野外模擬試驗(yàn)需要考慮氣候變化的真實(shí)情況，對(duì)多個(gè)環(huán)境因子的綜合影響和耦合作用加以深入系統(tǒng)研究，揭示受微生物群落的影響，在全球變暖過程中揭示了前者對(duì)后者所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)功能，以及所產(chǎn)生的適應(yīng)機(jī)制[94].

(3)高寒區(qū)凍融交替過程中，伴隨著有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，土壤凍結(jié)、融化過程對(duì)有機(jī)質(zhì)分解速率產(chǎn)生影響，同時(shí)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中也發(fā)生變化，今后可融合分子生物學(xué)、同位素標(biāo)記等技術(shù)深入分析凍融交替演變過程對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)及功能的影響.

(4)新一代分子生物技術(shù)日漸革新，在未來研究中需綜合應(yīng)用高通量測(cè)序、穩(wěn)定同位素探測(cè)(SIP)、基因芯片等新興技術(shù)手段，以消除傳統(tǒng)研究技術(shù)固有的偏差，對(duì)探索發(fā)現(xiàn)新的微生物過程機(jī)理具有里程碑意義.