張睿媛 ,袁 丹 ,秦樹平 ,胡春勝**

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫,其量級大約是大氣碳庫的3 倍(2400 Gt C vs.800 Gt C)[1]。土壤有機碳的礦化會釋放大量CO2進(jìn)入大氣,其量級約是人為工業(yè)排放的7 倍[2]。由于土壤有機碳庫規(guī)模巨大,其動態(tài)變化將對全球氣候變化產(chǎn)生巨大影響[3]。因此,提升土壤有機碳庫的穩(wěn)定對于緩解全球氣候變暖至關(guān)重要。

激發(fā)效應(yīng)(priming effects,PE)是外源養(yǎng)分輸入導(dǎo)致的微生物對土壤原有有機碳(soil organic carbon,SOC)降解速率的改變[4],是影響土壤碳庫動態(tài)的關(guān)鍵機制之一[5-6]。長期以來,激發(fā)效應(yīng)一直被認(rèn)為會導(dǎo)致土壤碳的凈損失,即正激發(fā)效應(yīng),根據(jù)環(huán)境條件和土壤類型的不同,激發(fā)效應(yīng)可使土壤有機碳礦化速率最高提升400%[7-8]。然而,最近研究表明激發(fā)效應(yīng)的方向也可能是負(fù)的,激發(fā)效應(yīng)可使土壤有機碳礦化速率減少50%[9]。激發(fā)效應(yīng)是一個復(fù)雜的過程,涉及不同種類微生物,受不同環(huán)境參數(shù)的影響。土壤特性、氣候、土地利用方式、外源添加物質(zhì)的性質(zhì)及其添加方式都會影響激發(fā)效應(yīng)的方向和大小[10]。

生態(tài)計量學(xué)結(jié)合生態(tài)學(xué)和化學(xué)計量學(xué)的基本原理,是研究生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及其生態(tài)效應(yīng)的重要工具。碳氮磷作為生命的重要元素,在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要作用[11-12]。在土壤中,碳氮磷不僅是生物生長的基礎(chǔ),也是土壤有機質(zhì)的關(guān)鍵組成元素[13]。因此,營養(yǎng)元素碳氮磷的含量及其化學(xué)計量比顯著影響外源物質(zhì)在土壤中的周轉(zhuǎn)以及土壤原有有機質(zhì)的礦化[14]。此外,碳氮磷化學(xué)計量比還調(diào)控了生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落的生長和活動。根據(jù) “土壤微生物碳泵”理論[15],調(diào)控土壤微生物可利用的碳氮磷的化學(xué)計量比,在理論上可實現(xiàn)對土壤微生物量、群落組成與微生物周轉(zhuǎn)速率進(jìn)行定向調(diào)控,充分發(fā)揮微生物碳泵在提升土壤有機質(zhì)方面的作用,通過“激發(fā)效應(yīng)”和“續(xù)埋效應(yīng)”調(diào)控土壤穩(wěn)定有機碳庫儲量動態(tài)。

本文首先總結(jié)了碳氮磷化學(xué)計量比調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)的相關(guān)研究進(jìn)展,接著分析了微生物作為激發(fā)效應(yīng)的內(nèi)源驅(qū)動力對碳氮磷化學(xué)計量的響應(yīng)機制,然后總結(jié)出“共代謝” “微生物營養(yǎng)挖掘”和“化學(xué)計量分解”3 種有關(guān)碳氮磷化學(xué)計量比調(diào)控激發(fā)效應(yīng)的機制,最后對碳氮磷化學(xué)計量比調(diào)控土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的研究不足與未來方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 外源碳氮磷不同配施對激發(fā)效應(yīng)方向與強度的影響

目前關(guān)于外源添加對土壤有機碳礦化激發(fā)效應(yīng)的研究主要集中在外源碳氮配施、碳磷配施和碳氮磷配施,不同營養(yǎng)元素的配施對激發(fā)效應(yīng)的影響也不盡相同(表1)。

表1 外源碳氮磷輸入對土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的影響Table 1 Effect of carbon,nitrogen and phosphorus input on the priming effects (PE) of soil carbon mineralization

1.1 外源碳氮配施對激發(fā)效應(yīng)方向與強度的影響

激發(fā)效應(yīng)的方向與強度和外源添加碳氮的微生物可利用性密切相關(guān)[28-30]。在較低的氮可用性條件下,外源碳氮配施使激發(fā)效應(yīng)增強,微生物通過挖掘土壤中的有機碳以滿足其對氮素的需求[31]。相反,在氮富集的情況下,微生物可以通過降低自身的碳氮比來響應(yīng)外源養(yǎng)分的添加。因此,當(dāng)提供低碳氮比的底物時,激發(fā)效應(yīng)往往會降低,因為微生物不需要分解土壤有機質(zhì)來獲取氮素[29]。相關(guān)研究結(jié)果表明,外源碳氮配施下,正激發(fā)效應(yīng)的大小隨著氮添加量的增大而減小[16-20],這說明當(dāng)土壤養(yǎng)分限制得到緩解時,土壤微生物不需要分解土壤有機質(zhì)來滿足其對氮的需求,同時減少了胞外水解酶的分泌,激發(fā)效應(yīng)強度降低。但Zheng 等[21]發(fā)現(xiàn)在外源添加葡萄糖和氮素后,激發(fā)效應(yīng)隨氮添加量的增加而增加。這可能是因為氮加速了微生物內(nèi)部代謝和周轉(zhuǎn),增加了分解土壤有機碳所產(chǎn)生的CO2;其次,外源碳氮添加所激活的微生物可以利用添加的氮產(chǎn)生水解酶,加速土壤難分解有機質(zhì)的分解。一項全球Meta 分析表明,在微生物對本底氮挖掘占主導(dǎo)的土壤系統(tǒng)中,氮添加會降低激發(fā)效應(yīng)強度,而在土壤本底氮素滿足微生物需求的系統(tǒng)中,氮添加會增強激發(fā)效應(yīng)[32]。

1.2 外源碳磷配施對激發(fā)效應(yīng)方向與強度的影響

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對磷需求的不斷增加,磷肥管理成為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的常見措施[33]。磷的微生物可利用性在調(diào)控土壤微生物活性方面起著關(guān)鍵作用,可以強烈影響土壤的碳周轉(zhuǎn)[34-35]。現(xiàn)階段關(guān)于磷添加對自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳周轉(zhuǎn)的研究表明: 磷通過增加土壤微生物呼吸[36]、降低碳利用效率[37],或增加微生物對土壤本底碳的分解[38],促進(jìn)了森林和草原土壤中的有機碳分解,這意味著磷可以調(diào)控土壤原有有機碳的分解,微生物對磷的需求誘導(dǎo)磷酸酶的產(chǎn)生[39],進(jìn)而促進(jìn)了土壤有機質(zhì)的分解與磷的釋放。外源磷添加會影響土壤真菌和細(xì)菌的群落組成[40-41],并影響碳氮磷獲取酶的活性[42-43],這可能會改變土壤微生物間的群落結(jié)構(gòu),直接影響實際激發(fā)效應(yīng)強度。在同一生態(tài)系統(tǒng)中,長期施磷土壤在外源添加碳后所產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)強度較不施磷土壤顯著增加[22,44]。最近的新型雙同位素標(biāo)記方法(13C 和18O 示蹤法)也揭示了磷可用性高的土壤比磷可用性低的土壤具有更強的激發(fā)效應(yīng)[45]。除此之外,磷還可以通過影響土壤中氮的轉(zhuǎn)化間接影響激發(fā)效應(yīng)的強度,Mehnaz 等[23]發(fā)現(xiàn),外源碳磷添加誘導(dǎo)了微生物生長的氮限制,使微生物通過挖掘土壤有機質(zhì)中的氮來滿足自身營養(yǎng)需求,增加了激發(fā)效應(yīng)的強度。然而,在磷添加條件下,激發(fā)效應(yīng)的強度則與外源碳質(zhì)量有關(guān),梅孔燦等[24]的研究結(jié)果表明,磷添加降低了低質(zhì)量凋落物添加所產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng),緩解了土壤微生物的磷限制。

1.3 外源碳氮磷配施對激發(fā)效應(yīng)方向與強度的影響

目前大多數(shù)研究主要聚焦在單一元素添加后土壤有機碳的分解,但在生態(tài)系統(tǒng)中碳氮磷通常是一起輸入的[46]。Feng 等[32]的Meta 分析結(jié)果表明,68.3%的外源氮磷添加對土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的效應(yīng)量低于零,即氮磷的添加降低了激發(fā)效應(yīng)的強度。氮磷的添加可能會改變細(xì)菌、真菌的豐度和多樣性,以及與碳周轉(zhuǎn)相關(guān)微生物群落功能的變化,進(jìn)而影響土壤有機碳礦化。具體的影響取決于土壤本底性質(zhì)以及外源碳氮磷添加量。與單獨輸入纖維素碳相比,高量碳氮磷配施降低了30%～50%的正激發(fā)效應(yīng)強度,且伴隨著較低的細(xì)菌、真菌基因豐度[25];Mo 等[26]的研究結(jié)果也表明,在外源碳氮磷比例保持不變時,高量輸入相較于低量輸入激發(fā)效應(yīng)強度顯著降低,這說明微生物對本底土壤有機質(zhì)的“營養(yǎng)挖掘”在外源養(yǎng)分可用性增加的情況下有所緩解。與之相反,有研究結(jié)果顯示,碳氮磷配施對土壤有機碳礦化有積極或中性的影響[26,47-48],這可能是因為外源低水平的碳氮磷輸入增加了土壤微生物的活性,使其分泌胞外水解酶以降解頑固的碳底物以獲得自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

2 激發(fā)效應(yīng)相關(guān)微生物對碳氮磷化學(xué)計量比的響應(yīng)和調(diào)節(jié)機制

Kuzyakov[49]提出,激發(fā)效應(yīng)是“活”有機物和“死” 有機物之間的相互作用,其中微生物是主要驅(qū)動因素。微生物通常喜歡高質(zhì)量(低碳氮比)而非低質(zhì)量的底物(高碳氮比)[50],因為后者需要增加胞外水解酶的分泌才能代謝[51]。外源添加高質(zhì)量的底物會產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng),因為高質(zhì)量底物會增加微生物的活性,額外的能量供應(yīng)使微生物能夠代謝原本無法接觸的底物。但是,高質(zhì)量的凋落物添加也可能對較老的土壤有機質(zhì)分解產(chǎn)生負(fù)面影響,因為微生物會優(yōu)先利用添加的新鮮有機物[9]。低質(zhì)量凋落物添加的結(jié)果則更難預(yù)測,有研究結(jié)果表明,低質(zhì)量的凋落物所引起的激發(fā)效應(yīng)強度較小,因為添加的底物本身難以被微生物利用[33]。然而,其他研究結(jié)果表明,添加低質(zhì)量底物會增強激發(fā)效應(yīng)強度[52]。除此之外Fanin 等[53]的研究結(jié)果表明,外源添加高質(zhì)量的凋落物會產(chǎn)生“瞬時”激發(fā)效應(yīng),當(dāng)?shù)獫M足需求時迅速降低;添加低質(zhì)量的凋落物會產(chǎn)生“延時”激發(fā)效應(yīng),當(dāng)?shù)谋M時,強度持續(xù)增加。

土壤有機碳周轉(zhuǎn)相關(guān)微生物主要有4 種主要機制來響應(yīng)資源化學(xué)計量: 1)通過非穩(wěn)態(tài)行為(微生物改變其元素組成來響應(yīng)資源組成的變化)調(diào)整其微生物量碳、氮、磷;2)改變特定的酶活性以獲得限制性元素;3)通過調(diào)節(jié)元素利用效率(例如,碳利用效率carbon use efficiency,CUE),將超過其需求的元素礦化和排出;4)改變微生物群落組成[35]。微生物對碳氮磷需求的差異使得不同營養(yǎng)條件下的群落變化與碳循環(huán)的可預(yù)測變化有關(guān)。因此,需要將土壤碳周轉(zhuǎn)的化學(xué)計量調(diào)控與微生物群落聯(lián)系起來。

2.1 微生物量對碳氮磷化學(xué)計量比的響應(yīng)

微生物可以將外源有機碳轉(zhuǎn)化為微生物量并最終轉(zhuǎn)化為殘體物質(zhì),從而有助于土壤有機碳的穩(wěn)定[54]。土壤微生物量是形成土壤有機質(zhì)的重要組成部分,可調(diào)節(jié)有機物和養(yǎng)分的循環(huán)。雖然土壤微生物量僅占土壤有機質(zhì)的一小部分,但它對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮磷的循環(huán)做出了顯著貢獻(xiàn)。在農(nóng)業(yè)土壤中,資源的碳氮磷化學(xué)計量相較于微生物所需的碳氮磷化學(xué)計量表現(xiàn)出更可變的特性[55]。因此,微生物會根據(jù)土壤營養(yǎng)水平改變其群落結(jié)構(gòu),支持適應(yīng)資源碳氮磷化學(xué)計量的優(yōu)勢菌株,從而維持微生物量碳氮磷化學(xué)計量的平衡[56]。Huang 等[57]的研究發(fā)現(xiàn),土壤碳氮磷化學(xué)計量與微生物量碳氮磷化學(xué)計量之間存在很強的線性正相關(guān)關(guān)系,但當(dāng)土壤的原始養(yǎng)分狀態(tài)可以滿足微生物需求時,進(jìn)一步的養(yǎng)分添加對微生物量的影響很小[58-59]。在熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮添加對微生物量碳氮沒有顯著影響,但在缺氮的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮添加提高了土壤微生物量碳氮的含量[60-61]。以前的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳限制被消除時,氮或磷是土壤微生物量的第二限制養(yǎng)分[62-63]。而單一的氮或磷添加通常對微生物生長沒有影響,與單獨秸稈還田相比,秸稈與氮磷的配施增加了微生物量碳,因為氮磷的可用性越高,微生物代謝活性也越高[64]。此外,有機肥與氮磷肥配施可以加速養(yǎng)分釋放,從而減輕微生物群落的化學(xué)計量限制[56]。

與土壤資源碳氮磷化學(xué)計量梯度相比,微生物量碳氮比相對穩(wěn)定,范圍為8∶1 到12∶1[65-66]。最近的研究結(jié)果表明,與之相比,微生物量碳磷比變化范圍較大,這說明微生物量磷的化學(xué)計量可塑性更大[67-68]。土壤微生物量碳磷比可以反映微生物量磷的有效性,作為磷供應(yīng)受限程度的指標(biāo)[69]。Fan 等[59]的研究結(jié)果表明,氮添加對土壤微生物量碳氮沒有顯著影響,但微生物量碳磷比顯著增加,這表明施氮誘導(dǎo)微生物的磷需求增加。

2.2 土壤水解酶活性對碳氮磷化學(xué)計量比的響應(yīng)

土壤微生物獲取能量和養(yǎng)分的相對資源分配可以表示為碳氮磷水解酶活性的比率,通過結(jié)合生態(tài)化學(xué)計量理論和生態(tài)代謝理論來指示微生物代謝的局限性[70]。糖苷酶可以將纖維素和糖分解成溶解的有機碳,包括纖維二糖水解酶、α-葡萄糖苷酶、β-糖苷酶和β-木糖苷酶。而亮氨酸氨基肽酶和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶負(fù)責(zé)通過降解蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)來獲取氮,磷酸酶通過水解有機磷釋放出可用的無機磷。這幾種水解酶已在與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的領(lǐng)域中得到了廣泛的研究。此外,Moorhead 等[71]根據(jù)水解酶活性的比例計算酶活矢量角,更好地量化和可視化了微生物的代謝限制。多項研究表明,氮添加會顯著降低土壤碳氮磷水解酶活性[72-73],從而抑制土壤中化學(xué)元素的轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分的分解和釋放[74]。其他研究則表明,氮添加對土壤水解酶活性有積極影響[75]。土壤碳氮磷水解酶活性對外源添加物響應(yīng)的差異可能會導(dǎo)致酶化學(xué)計量比在氮添加后表現(xiàn)出不確定性[61]。此外,氮添加可以通過影響土壤酶活性來間接影響土壤微生物群落的養(yǎng)分限制。Xu 等[76]的Meta 分析表明在全球范圍內(nèi),氮添加主要影響土壤微生物的碳磷限制,盡管氮添加增加了土壤碳磷水解酶的活性。Ma 等[77]的研究發(fā)現(xiàn),森林生態(tài)系統(tǒng)中,磷的添加緩解了微生物的磷限制,增加了碳氮水解酶的活性。Liu 等[78]的研究結(jié)果表明,土壤水解酶活性與高營養(yǎng)濃度之間存在負(fù)反饋效應(yīng)。

激發(fā)效應(yīng)中涉及的酶活性意味著收益和成本[79],響應(yīng)外源添加的酶活性變化可能導(dǎo)致土壤有機碳分解和激發(fā)效應(yīng)的變化。然而,目前激發(fā)效應(yīng)與酶活性變化之間的關(guān)系仍未可知。

2.3 微生物碳利用效率對碳氮磷化學(xué)計量比的響應(yīng)

微生物碳利用效率(CUE)定義為用于微生物生長的碳相對于總碳攝取的比率,即微生物將底物碳轉(zhuǎn)化為自身微生物量碳的效率[80],高碳利用效率表明微生物快速增長和較少的碳釋放進(jìn)入大氣,低碳利用效率意味著相對較大的碳損失,較少的碳轉(zhuǎn)化為微生物量[45]。養(yǎng)分限制是微生物碳利用效率的一個重要驅(qū)動因素,因為分解者代謝具有固定的化學(xué)計量限制[81],一般來說,增加養(yǎng)分可用性有望通過減少碳與養(yǎng)分的化學(xué)計量失衡來改善土壤微生物碳利用效率[25,80]。在養(yǎng)分豐富的土壤中,微生物通過減少碳與養(yǎng)分的化學(xué)計量失衡,對外源碳添加表現(xiàn)出更高的利用效率[81]。而在養(yǎng)分限制的土壤中,底物營養(yǎng)成分的差異往往決定了營養(yǎng)限制對微生物碳利用效率影響的大小和方向[45],例如當(dāng)微生物利用高碳氮比的底物時,可能會出現(xiàn)碳利用效率下降,這是因為大量的碳投入導(dǎo)致有限的養(yǎng)分獲取和大量的呼吸消耗[81]。然而也有研究表明,高碳氮比或?qū)ξ⑸锾祭眯蕸]有影響[37,82]。Qiao 等[83]的Meta 分析結(jié)果表明,對于外源添加葡萄糖的土壤,氮配施對微生物碳利用效率沒有影響,但是外源高分子化合物和植物殘體添加的土壤中,氮配施分別導(dǎo)致微生物碳利用效率下降51%和53%。Song 等[84]的研究表明,微生物通過減少微生物碳利用效率來增加土壤激發(fā)效應(yīng)強度,這是微生物對可用資源化學(xué)計量比的反饋。除此之外,微生物碳利用效率還受微生物群落組成的控制[45],因為不同的微生物群在分解和同化碳底物方面具有不同的效率。

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)對碳氮磷化學(xué)計量比的響應(yīng)

激發(fā)效應(yīng)由兩種功能性微生物群落負(fù)責(zé),一種是利用頑固底物生長緩慢的K-策略者,另一種是代謝不穩(wěn)定底物生長快速的r-策略者。微生物群落中r-和K-策略者相對豐度的變化是反映土壤微生物對壓力源響應(yīng)的有用指標(biāo)[85]。K-策略者和r-策略者之間的平衡在某種程度上反映在真菌與細(xì)菌的比例(F∶B)或革蘭氏陽性與革蘭氏陰性菌的比例(G+∶G-)上,較高的比率被認(rèn)為是K-策略者比r-策略者貢獻(xiàn)更大[86]。Chen 等[28]的研究指出,K-策略者在分解低氮可用性的底物方面更具競爭力,而添加碳氮后的激發(fā)效應(yīng)與r-策略者的主導(dǎo)地位有關(guān)。前人研究結(jié)果表明,在外源氮添加下,真菌生物量的減少和F∶B的降低會抑制土壤頑固碳的分解,導(dǎo)致葡萄糖和苯酚引起的激發(fā)效應(yīng)強度降低[16,87-88]。而Bei 等[89]的研究結(jié)果中,秸稈與礦物質(zhì)氮配施后,總磷脂脂肪酸(PLFA)的F∶B 值增加,13C-PLFA 分析進(jìn)一步表明,礦質(zhì)氮添加減少了秸稈來源的細(xì)菌,增加了秸稈來源的真菌和F∶B。先前的結(jié)果表明,磷有效性對土壤有機碳礦化的影響主要是由真菌通過改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和釋放胞外酶實現(xiàn)的,磷添加導(dǎo)致K-策略者(特別是關(guān)鍵真菌分類群)的豐度和多樣性的改變[90-91]。細(xì)菌和真菌在營養(yǎng)豐富和營養(yǎng)不足的土壤環(huán)境中具有不同的偏好[7]。真菌的碳氮比高于細(xì)菌,因此真菌在低營養(yǎng)條件下更活躍,因為它們的氮需求較低,碳利用效率較高[92]。但在營養(yǎng)豐富的情況下,例如外源秸稈與氮肥的配施,則降低了大多數(shù)真菌的豐度和多樣性,但增加了細(xì)菌群(例如放線菌)的豐度[93-94]。低養(yǎng)分含量導(dǎo)致細(xì)菌和真菌物種間和內(nèi)部對資源的激烈競爭,秸稈與氮配施通過減少微生物群落之間的競爭來改變負(fù)關(guān)聯(lián)的共生模式[95]。迄今為止,細(xì)菌和真菌群體之間的競爭以及在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有機質(zhì)礦化過程中的主導(dǎo)順序還存在相當(dāng)大的不確定性[96-97]。

土壤有機碳周轉(zhuǎn)相關(guān)微生物主要通過以上4 種機制來響應(yīng)資源化學(xué)計量。雖然上述的4 種機制是并行運作的,但它們在空間、時間和生態(tài)系統(tǒng)尺度上的貢獻(xiàn)仍未可知。土壤微生物量碳氮磷比率變化的相對靈活性限制了其非穩(wěn)態(tài)行為,并且微生物群落在碳與營養(yǎng)比不同環(huán)境中的增長,不能僅僅通過非穩(wěn)態(tài)行為來實現(xiàn)。因此,微生物元素利用效率和胞外酶分泌的補償性調(diào)節(jié)有助于微生物響應(yīng)資源的化學(xué)計量變化。

3 碳氮磷化學(xué)計量比調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)的假說

碳氮磷化學(xué)計量比對土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的影響是外源養(yǎng)分(碳氮磷)與土壤微生物、土壤本底有機質(zhì)共同作用的結(jié)果,目前的研究主要從“共代謝”假說、“營養(yǎng)挖掘”假說、“化學(xué)計量分解”假說等方面來解釋土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的強度與方向。

3.1 “共代謝”假說

“共代謝”是指土壤微生物在利用外源添加的易分解碳作為自身初始能量后,通過分泌特異性胞外水解酶降解同一介質(zhì)中穩(wěn)定性較高的有機化合物。土壤微生物種群的一個重要特征是它們對底物降解的酶特異性,即不同微生物分泌不同的酶來降解不同的有機物[51]。土壤微生物在分解頑固有機物的過程中,所分泌的水解酶同時也會分解土壤有機質(zhì)。所以,外源添加物的生化多樣性越高,微生物產(chǎn)生的胞外水解酶種類也就越豐富,所引起的激發(fā)效應(yīng)也越明顯[98]。Wu 等[99]的研究表明外源不穩(wěn)定碳的添加,增加了微生物磷脂脂肪酸的含量以及β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶的活性,加速了土壤有機碳的礦化并產(chǎn)生了正的激發(fā)效應(yīng),且正激發(fā)的產(chǎn)生與微生物量和胞外水解酶的增加同步。Song 等[84]的研究結(jié)果表明在外源葡萄糖添加后,β-糖苷酶/(β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶+亮氨酸氨基肽酶)和β-糖苷酶/磷酸酶的比值增加,這將導(dǎo)致更多的碳水解酶進(jìn)入土壤中,更多的水解酶在利用外源葡萄糖的同時增加了與本底有機碳接觸的可能,導(dǎo)致更強烈的正激發(fā)效應(yīng)。B?rger 等[100]的研究結(jié)果表明,外源添加碳氮比相差較大的凋落物后,均產(chǎn)生了強烈的正激發(fā)效應(yīng),且碳氮比不同的兩種凋落物(碳氮比為25.5和57.8)并不影響激發(fā)效應(yīng)的響應(yīng),這說明此時的激發(fā)效應(yīng)是由于微生物的“共代謝”。Shahbaz 等[101]的研究表明,在外源凋落物添加的培養(yǎng)試驗中,培養(yǎng)后期激發(fā)效應(yīng)的強度超過凋落物的分解強度,且土壤有機質(zhì)衍生碳在微生物量中的增加與激發(fā)效應(yīng)和酶活性的增加均顯著相關(guān),這表明實際激發(fā)效應(yīng)的發(fā)生可能是由于微生物的變化,即從快速生長(r-策略者)變化為緩慢生長的種群(K-策略者)。由此可見,“共代謝”普遍存在于激發(fā)效應(yīng)中。

3.2 “營養(yǎng)挖掘”假說

“微生物氮挖掘”假說是指在低氮可用性條件下,生長緩慢的K-策略者利用不穩(wěn)定的碳作為能量來源,分解含氮的頑固有機物以此來獲取自身所需要的氮素[30],產(chǎn)生正的激發(fā)效應(yīng)。這意味著土壤氮限制有助于微生物分解頑固的土壤有機質(zhì)以獲取氮。Meier 等[102]的研究表明,過量的碳施入導(dǎo)致土壤微生物的養(yǎng)分限制(即氮限制),從而驅(qū)使它們利用不穩(wěn)定碳作為能量來源,分泌更多的酶(氧化酶和氮水解酶)分解土壤本底有機質(zhì)以獲取有限的氮資源,進(jìn)而產(chǎn)生了正的激發(fā)效應(yīng)。Song 等[84]的研究表明,在添加葡萄糖后,土壤中的總?cè)芙庑杂袡C氮顯著增加,且β-糖苷酶與過氧化物酶的比值降低,這說明外源葡萄糖的添加誘導(dǎo)微生物利用土壤本底中的可用性氮有機質(zhì),促進(jìn)土壤有機碳的礦化?！暗诰颉奔僬f強調(diào)的是微生物氮限制在激發(fā)效應(yīng)過程中的主導(dǎo)作用,但是微生物的生長和繁殖也離不開其他營養(yǎng)元素,如近兩年提出的“磷挖掘”假說[39]。

3.3 “化學(xué)計量分解”假說

“微生物化學(xué)計量分解”假說表明,當(dāng)土壤本底和外源營養(yǎng)輸入與微生物化學(xué)計量需求相匹配時,生長快速的微生物(r-策略者)活性最高,對土壤有機質(zhì)的分解速率最快[28]。因此,“微生物化學(xué)計量分解”通常在微生物沒有明顯營養(yǎng)限制的情況下占主導(dǎo)地位[20]?！拔⑸锘瘜W(xué)計量分解”假設(shè)微生物化學(xué)計量是一種驅(qū)動力,這意味著所有微生物群落的生長增加,包括β-變形桿菌和寡營養(yǎng)菌(如酸桿菌和真菌)。高營養(yǎng)可用性可能會加速外源添加的新鮮有機物和本底有機質(zhì)的礦化,從而延長激發(fā)效應(yīng)的時間[7,28-30]。Zhang 等[20]的研究觀察到,凋落物配施氮與單獨凋落物添加相比引起了更高的激發(fā)效應(yīng),且微生物量和胞外水解酶活性均高于不加氮處理,這表明當(dāng)外源添加滿足微生物對養(yǎng)分的需求時,微生物活性最高。Bei 等[89]的研究結(jié)果表明,秸稈配施氮肥對微生物量碳無影響,但促進(jìn)了激發(fā)效應(yīng)的強度、秸稈分解速率和胞外水解酶活性,這與“微生物化學(xué)計量分解”假說一致。

“共代謝” “營養(yǎng)挖掘”和“化學(xué)計量分解”假說可以單獨或組合運行(圖1),具體取決于不同空間和時間尺度上土壤的碳氮磷可用性。最近的研究表明,主導(dǎo)機制隨有機碳化合物、添加方式和分解階段而變化[99-103],Chen 等[28]認(rèn)為在外源碳氮添加后,“化學(xué)計量分解”和“共代謝”驅(qū)動初始激發(fā)效應(yīng)階段,而“微生物氮挖掘”驅(qū)動激發(fā)效應(yīng)的后期階段。其他研究則表明,在養(yǎng)分限制下,微生物對土壤有機質(zhì)的“氮挖掘”可以主導(dǎo)正激發(fā),但在微生物可用養(yǎng)分足夠的情況下,無論是通過外源輸入還是土壤本底有機質(zhì)的礦化,“微生物化學(xué)計量分解”都可以隨著時間的推移成為主導(dǎo)機制[25]。Song 等[84]的研究表明,外源葡萄糖添加后,所引起的正激發(fā)效應(yīng)是因為“微生物共代謝”。在培養(yǎng)早期階段,微生物分解復(fù)雜的有機物時分泌更多的氧化酶和氮水解酶以獲得自身所需的氮,微生物進(jìn)行“氮挖掘”產(chǎn)生正的激發(fā)效應(yīng),隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,酶化學(xué)計量比的增加降低了微生物碳利用效率并增加了激發(fā)效應(yīng)強度,此時的正激發(fā)由“微生物化學(xué)計量分解”所誘導(dǎo)。

圖1 微生物對土壤有機碳礦化激發(fā)效應(yīng)(PE)的調(diào)控機制Fig.1 Mechanisms of microbial regulation of priming effects (PE) on mineralization of soil organic carbon

4 總結(jié)與研究展望

1)目前關(guān)于外源養(yǎng)分輸入對土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的研究主要集中在單一養(yǎng)分的添加,對于碳氮磷協(xié)同配施方面的研究較少,未來急需著眼于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中秸稈配施氮磷肥對于土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的影響,通過調(diào)節(jié)配施的比例,降低秸稈還田過程中通過激發(fā)效應(yīng)損失的有機碳,提高秸稈還田增加土壤有機碳的效率。

2)微生物增殖過程本質(zhì)上也是對外源碳氮磷等養(yǎng)分協(xié)同同化代謝的過程,通過調(diào)節(jié)土壤微生物可利用的碳氮磷化學(xué)計量比,在理論上實現(xiàn)對土壤微生物生物量、群落組成與微生物周轉(zhuǎn)速率的定向調(diào)控,充分發(fā)揮“微生物碳泵”在提升土壤有機質(zhì)方面的作用。如何優(yōu)化碳氮磷輸入比例、實現(xiàn)微生物碳泵儲碳與負(fù)激發(fā)保碳的有機統(tǒng)一是未來需加強的一個研究方向。

3)激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是外源碳氮磷輸入后改變了土壤微生物可獲得性養(yǎng)分的碳氮磷化學(xué)計量平衡,導(dǎo)致有些營養(yǎng)元素的虧缺或盈余,微生物為了恢復(fù)其合成代謝過程的碳氮磷化學(xué)計量平衡,會增強或減弱對土壤原有有機質(zhì)的降解,進(jìn)而產(chǎn)生正或負(fù)的激發(fā)效應(yīng)。因此,未來急需將碳氮磷化學(xué)計量比調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)的理論運用于農(nóng)田固碳減排的生產(chǎn)實踐,減弱正激發(fā)效應(yīng),甚至將正激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)激發(fā)效應(yīng),提高土壤固碳和碳存儲能力,助力我國“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略的實施。