周連玉，巨家升，馬學(xué)蘭，孫文娟，王龍瑞，魏樂

(1. 青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海西寧 810008；2. 青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，青海西寧 810008；3. 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海西寧 810008)

我國是一個典型的農(nóng)業(yè)大國，耕地面積約1.2×108hm2。 作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有碳源和碳匯雙重特性，調(diào)控農(nóng)田土壤固碳減排，對于保障糧食安全以及實現(xiàn)“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重大意義。 目前主要的固碳方法有化學(xué)固碳、物理固碳和生物固碳，其中，生物固碳法是通過植物或微生物將CO2合成各種有機(jī)物，從而轉(zhuǎn)化成各種可再生生物燃料和化工產(chǎn)品。 除了植物的固碳作用，自養(yǎng)微生物利用光能或化學(xué)能將CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，對大氣中CO2濃度調(diào)節(jié)發(fā)揮著不可忽視的作用；由于其具有分布廣泛、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，利用這種耗能較低、經(jīng)濟(jì)可行、綠色無污染的微生物固碳已成為目前固定CO2研究的熱點之一[1－5]。 近年來，國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)田自養(yǎng)微生物固碳潛力的分子生態(tài)方面開展了一些研究，本文從農(nóng)田自養(yǎng)微生物固碳種群、固碳速率、固碳潛力的影響因子以及固碳菌種資源應(yīng)用等方面，總結(jié)和分析農(nóng)田自養(yǎng)微生物固碳機(jī)制，并簡要展望研究前景，可為提高農(nóng)田土壤固碳潛能、增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)功能提供參考。

1 自養(yǎng)微生物固碳途徑

自養(yǎng)微生物能夠利用無機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行正常生命代謝活動，根據(jù)能量來源可以分為光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物兩種類型；根據(jù)對氧氣需求的不同，光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物又可分別分為好氧型和厭氧型[6]。 自養(yǎng)微生物在不同環(huán)境中進(jìn)化出不同的CO2固定途徑。 目前已報道7 條自養(yǎng)微生物固碳途徑，即卡爾文循環(huán)(CBB)、還原型三羧酸循環(huán)(rTCA cycle)、厭氧乙酰輔酶A 途徑又稱Wood－Ljungdahl 途徑(WL pathway)、3－羥基丙酸雙循環(huán)(3HP bicycle)、3－羥基丙酸/4－羥基丁酸循環(huán)(3－HP－4HB cycle)、二羧酸/4－羥基丁酸循環(huán)(Di－4HB cycle)和反向甘氨酸裂解途徑[7－12]。 其中CBB 循環(huán)是化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑，在代謝過程中已將CBB 循環(huán)應(yīng)用于將CO2轉(zhuǎn)化為生物基化學(xué)物質(zhì)。 限制卡爾文循環(huán)速率的關(guān)鍵酶為核酮糖－1，5－二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)，根據(jù)序列和結(jié)構(gòu)同源性，大多數(shù)RubisCO 分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型和Ⅳ型。 Ⅰ型和Ⅱ型參與自養(yǎng)；Ⅲ型與核苷酸和核苷代謝有關(guān)；Ⅳ型又稱為RubisCO 類似蛋白，不具有催化羧化反應(yīng)和氧化反應(yīng)的能力。cbbL、cbbM基因分別編碼RubisCOⅠ型和Ⅱ型的大亞基，且具有高度保守性。 按照其氨基酸組成的進(jìn)化距離將RubisCOⅠ基因分成“green－like”和“red－like”兩個類群，其中“green－like”類群又可以分為ⅠA、ⅠB；“red－like”也有2 種類型，為ⅠC 和ⅠD[13]。近年來，cbbL、cbbM基因作為固碳相關(guān)的生物標(biāo)志物被許多學(xué)者用于分析不同生態(tài)環(huán)境中固碳微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性以及固碳能力；還有針對還原型三羧酸循環(huán)固碳途徑ATP－檸檬酸裂解酶的功能基因aclB以及3－羥基丙酸/4－羥基丁酸循環(huán)途徑中乙酰輔酶A/丙酰輔酶A 羧化酶的功能基因accA開展農(nóng)業(yè)土壤中自養(yǎng)細(xì)菌的生態(tài)特征研究。

2 農(nóng)田土壤固碳自養(yǎng)微生物的群落組成

農(nóng)田土壤自養(yǎng)固碳微生物種類豐富，土壤性質(zhì)、農(nóng)藝管理措施、環(huán)境因子等因素均會影響固碳微生物類群的變化。 不同區(qū)域的稻田土壤都含有共有的cbbL和cbbM優(yōu)勢種群，由于土壤性質(zhì)的不同各自又有特有的cbbL和cbbM優(yōu)勢種群，cbbL的陽性克隆子主要與變形菌的慢生根瘤菌(Bradyrhizobiumsp.)、維氏硝酸桿菌(Nitrobacter winogradskyi)、亞硝化螺菌(Nitrosospirasp.)、脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)、 固氮紅細(xì)菌(Rhodobacter azotoformans)等的序列相似，cbbM的陽性克隆子與變形菌門的硫化菌(T.thioparus)等專性化能自養(yǎng)菌的相似度較高[14]。Bradyrhizobium和Rubrivivax是鐵滲、潛育水耕人為土中的主要類群，普通鐵滲水耕人為土的主要類群是Rhodopseudomonas、Rhodospirillum、Methylibium和Variovorax[15]。 固碳微生物種群在土壤垂直方向的分布趨勢為亞表層(5 ～7 cm)的土壤固碳細(xì)菌多樣性高于表層(0～2 cm)；黏粒和粉粒中固碳微生物多樣性高于砂粒[16]。 Yuan 等[17]采用室內(nèi)14C－CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)土壤80 d 后，發(fā)現(xiàn)在水稻、旱地土壤中固碳細(xì)菌優(yōu)勢種群有Azospirillum lipoferum、R.palustris、B.japonicum、Ralstonia eutropha等。 花生和棉花土壤中檢測出B.japonicum、Burkholderia、Nitrosospira為優(yōu)勢固碳類群[16]，土壤固碳菌種類在水稻連作、水稻/油菜輪作、油菜/玉米輪作的農(nóng)田土壤中存在較大差異[18]；而在花生根際上發(fā)現(xiàn)碳同化自養(yǎng)微生物cbbL與Rhizobium leguminosarum、Bradyrhizobiumsp.、Sinorhizobium meliloti、Ochrobactrum anthropi等序列類似[19]。Lu 等[20]設(shè)計免耕、旋耕、翻耕三種耕作方式并結(jié)合玉米秸稈還田的研究表明，秸稈還田常規(guī)耕作土壤中cbbL的細(xì)菌在門水平變形桿菌門豐度占94.3%，在物種水平變形桿菌占42.9%；相比之下，無秸稈免耕土壤中攜帶cbbL的細(xì)菌在門水平放線菌門占31.5%和物種水平的彎曲高溫單孢菌(Thermomonospora curvata)占29.1%，且玉米秸稈還田增加特有種群Acidiphilium multivorum。 通過野外長期定位試驗，從red－likecbbL的角度分析，施肥處理黑麥土壤中優(yōu)勢類群為Bacillus、Streptomyces和Arthrobacter[21]。 不同有機(jī)碳源相同施用量的長期定位試驗結(jié)果表明，有機(jī)碳物料的輸入促使土壤中放線菌門的小單孢菌屬(Micromonospora)、分枝桿菌屬(Mycobacterium)、高溫單孢菌屬(Thermomonospora)和變形菌門的鹽紅螺菌屬(Halorhodospira)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)的種群相對豐度增加[22]。 基于熒光定量PCR 技術(shù)和高通量測序技術(shù)分析秸稈、生物炭和納米碳添加對退化農(nóng)田土壤固碳細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響，結(jié)果顯示優(yōu)勢菌屬硫堿弧菌(Thioalkalivibrio)、Sulfurifustis、Thiobacillus分別在生物炭、納米碳和秸稈添加后的農(nóng)田土壤中相對豐度最高[23]。 這些研究表明，碳同化微生物類群對土壤特性和環(huán)境因子變化比較敏感，土壤理化性質(zhì)、農(nóng)藝管理以及生態(tài)因子等因素均顯著影響土壤固碳微生物的優(yōu)勢種群組成以及cbbL和cbbM基因的多樣性。

3 農(nóng)田土壤自養(yǎng)微生物固碳能力與影響因素

不同類群的固碳微生物可能在農(nóng)田土壤中表達(dá)不同的固碳途徑，從而其固碳能力也有差異。稻田土壤自養(yǎng)微生物同化大氣CO2，是農(nóng)田土壤有機(jī)碳的重要來源之一。 許多研究者通過檢測微生物生物量碳(MBC)、固碳酶活性以及固碳基因的表達(dá)量來估測農(nóng)田土壤自養(yǎng)微生物固碳能力。土壤特性、農(nóng)藝管理以及環(huán)境因子明顯影響碳同化微生物生長、代謝以及功能基因的表達(dá)。

3.1 耕地類型

耕地分為水田和旱地兩種類型。 耕地水分多少不僅影響作物生長，還調(diào)節(jié)土壤中微生物數(shù)量或種類。 農(nóng)田土壤有機(jī)碳的來源較自然生態(tài)系統(tǒng)更加廣泛，一般由作物秸稈和根茬來源碳、作物根際沉積碳、動物殘體、微生物固碳以及有機(jī)肥投入碳等組成。 采用14C－CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)農(nóng)田土壤80 d 后，微生物固定碳占稻田和旱地土壤有機(jī)碳(SOC)的0.12%～0.59%，據(jù)估算每年全球土壤自養(yǎng)微生物固定的碳大約0.6 ～4.9 pg；農(nóng)田土壤自養(yǎng)微生物的CO2日同化速率為0.01 ～0.10 g/m2，年碳同化速率為100～450 kg/hm2，其對碳循環(huán)的年貢獻(xiàn)率為0.9%～4.1%；同時，稻田和旱地的固碳能力不同，細(xì)菌總固定碳在稻田土壤中占比高于旱地[17]。 同樣采用14C－CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)稻田、旱地土壤110 d 后，稻田土壤光照處理的14CSOC 含量超過旱地土壤；在理想狀態(tài)下估算出土壤微生物的年碳同化量在0.3 ～3.7 pg[24]。 通過分析采集的稻田和旱地土壤碳庫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長期耕作的稻田土壤固持的有機(jī)碳中植物殘體來源碳占33%～54%、微生物殘體來源碳占28%～36%，而旱地土壤中積累的有機(jī)碳植物殘體貢獻(xiàn)19%～42%、微生物殘留物貢獻(xiàn)40%～59%，在旱地土壤中微生物固碳作用明顯大于稻田[25]。 這些研究說明作為土壤有機(jī)碳重要來源之一的微生物同化碳量對稻田、旱地土壤響應(yīng)的研究結(jié)果存在一定差異性，其緣由可能與試驗區(qū)域氣候條件、土壤性質(zhì)、作物種類、試驗時間、CO2濃度等不同有密切聯(lián)系。

一些自養(yǎng)微生物在農(nóng)田土壤環(huán)境下能夠利用CBB 循環(huán)途徑進(jìn)行CO2固定，其固碳速率受關(guān)鍵固碳基因和固碳酶活性的調(diào)控。 不同區(qū)域的稻田土壤cbbL基因豐度為107～108copies/g，比cbbM高3 個數(shù)量級，各區(qū)域cbbL和cbbM豐度均存在差異性[14]。 Xiao 等[26]指出中國南方5 個不同水稻產(chǎn)區(qū)的水稻土(0 ～20 cm)cbbLR、cbbM、cbbLG固碳基因豐度范圍在106～109copies/g 干土，豐度從高到低依次為cbbLR＞cbbM＞cbbLG，cbbLR基因豐度與土壤固碳酶活性呈顯著正相關(guān)，此結(jié)果說明cbbLR基因可能發(fā)揮著更大作用。 此外，稻田、旱地細(xì)菌cbbL基因豐度為106～108copies/g土壤，稻田cbbL基因豐度、碳同化酶活性是旱地的4～30 倍[17，27]，cbbL基因豐度、RubisCO 活性均與MBC 呈正相關(guān)，cbbL基因豐度與RubisCO 活性呈顯著或極顯著正相關(guān)[17，27]，且cbbL基因豐度、RubisCO 活性、MBC 與耕地水分含量之間均表現(xiàn)出顯著或極顯著正相關(guān)。

3.2 土壤理化性質(zhì)

土壤質(zhì)地是土壤中較為重要的一種物理性質(zhì)，影響土壤的透光性、通氣性、養(yǎng)分狀態(tài)以及水分含量，進(jìn)而影響微生物的生存環(huán)境及代謝活性。Selesi 等[28]研究發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)田土壤中red－likecbbL基因豐度為8.0×106～3.4×107copies/g，其中主要分布在壤土(63 ～2 μm)和黏土(2.0 ～0.1 μm)中，而在砂土(2 000 ～63 μm)中幾乎檢測不到。土壤的自養(yǎng)微生物同化碳均進(jìn)入了不同粒徑的團(tuán)聚體和腐殖質(zhì)組分中，主要進(jìn)入0.2 ～0.02、2.0 ～0.2 mm 粒徑與胡敏酸組分[29]。 土壤粗顆粒組分中營養(yǎng)物質(zhì)難以積累，不利于自養(yǎng)微生物生長，因此16S rRNA 以及卡爾文功能基因拷貝數(shù)量低，而土壤中黏粒含量較高，可以有效固定、吸附微生物，因而土壤MBC 相對較高[14]。

土壤中有機(jī)物質(zhì)含量、pH、氧化還原狀態(tài)、競爭性離子等化學(xué)性質(zhì)都會影響微生物的群落組成和活性，進(jìn)而使得土壤中自養(yǎng)微生物固碳能力發(fā)生變化。 化能自養(yǎng)菌以H2、NH4＋、NO2、S2O32－、H2S、Fe2＋、Mn2＋、CO、CH4、CH3OH 等多種無機(jī)化合物作為電子供體[30]，通過氧化無機(jī)底物獲得能源用于將CO2合成氨基酸、脂肪酸等土壤有機(jī)質(zhì)成分[1，2]，因而土壤有機(jī)質(zhì)含量較低的貧瘠土壤更有利于碳同化微生物的活性表達(dá)[14，31]。 土壤pH可以通過H＋濃度改變土壤中營養(yǎng)元素的形態(tài)從而影響自養(yǎng)微生物類群[32]以及cbbM基因豐度，pH 值大的土壤中cbbM基因豐度較高[31]。 已有研究報道土壤MBC 與土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、土壤容重等存在顯著相關(guān)性[33]；固碳細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和固碳功能基因的豐度也受土壤C/N 比、陽離子交換量、全氮、全磷含量等影響[26，27]。

3.3 土層深度

土壤是一種物理(不同粒徑、密度、顆粒)和化學(xué)(腐殖質(zhì))組分不同的復(fù)雜體系，隨土層深度的增加，光照、通氣性、基質(zhì)和養(yǎng)分利用率發(fā)生改變，從而為自養(yǎng)微生物提供多樣生境[28]。 農(nóng)田土壤中積累較多的細(xì)菌殘體碳[25]，表層土壤中微生物殘體碳對有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率為51%，且隨土層深度的增加而降低[34]。 不同耕地類型隨土壤深度的增加固碳能力存在差異，水稻土壤cbbL基因豐度逐漸降低，旱地土壤cbbL基因豐度變化不明顯；0～1 cm 深度稻田或旱地土壤RubisCO 活性均顯著高于1～5 cm 和5 ～17 cm 土層，且在0 ～1 cm 土壤深度，cbbL基因豐度與RubisCO 活性呈極顯著正相關(guān)[27]。 在不同作物體系的土壤中MBC、RubisCO 活性以及cbbL基因豐度均隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢[18]。 Ge 等[35]觀察到隨土壤深度的增加，翻耕和免耕水稻土壤cbbL基因豐度以及固碳活性逐漸降低，翻耕和免耕旱地土壤cbbL基因豐度變化幅度不大、固碳活性降低。 光照隨土層深度的增加而減少，光誘導(dǎo)表層土壤(0～1 cm)光能自養(yǎng)微生物進(jìn)行碳同化，繼而傳輸至次層土壤(1 cm 以下)供化能自養(yǎng)微生物碳同化，由此可構(gòu)成光能、化能自養(yǎng)固碳的雙重協(xié)同作用。

3.4 土壤耕作

土壤耕作是改善耕層質(zhì)量、培肥地力的重要農(nóng)田管理技術(shù)措施，對土壤生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境有重要影響。 傳統(tǒng)耕作(翻耕、深松耕)、少耕(淺耕、旋耕)和免耕(留茬、留茬覆蓋)等耕作方式影響土壤溫度、水分、通氣性及養(yǎng)分含量，還改變土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量和多樣性。 Lu 等[20]設(shè)計免耕、旋耕、翻耕三種耕作方式并結(jié)合玉米秸稈還田方式進(jìn)行玉米種植試驗，結(jié)果表明翻耕、翻耕秸稈還田、旋耕秸稈還田土壤中cbbL與16S rRNA基因豐度以及RubisCO 活性顯著高于免耕土壤，旋耕土壤中RubisCO 活性顯著高于免耕土壤，而旋耕土壤中cbbL與16S rRNA 基因豐度與免耕土壤之間無顯著性差異。 Ge 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水田和旱地土壤翻耕后，土壤中MBC、固定CO2活性較免耕土壤高，然而16S rRNA 和cbbL基因豐度低于免耕土壤，可能是翻耕改變土壤團(tuán)聚體的粒徑和穩(wěn)定性，從而影響某些自養(yǎng)固碳微生物的生長與代謝。 在旱地土壤中耕作方式對土壤cbbL基因豐度的影響不一致，可能與作物體系、培養(yǎng)環(huán)境等因素有關(guān)。

3.5 作物體系

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，種植方式對土壤微生物生物量碳有顯著影響。 小麥/玉米輪作體系下土壤MBC 顯著大于棉花連作體系土壤[33]。 種植水稻的土壤cbbL基因拷貝數(shù)顯著高于種植玉米的土壤[31]；水稻連作土壤MBC、cbbL基因豐度均顯著高于小麥/玉米和水稻/小麥輪作的土壤，水稻/小麥輪作的土壤cbbL基因豐度明顯大于小麥/玉米輪作體系的土壤[36]。 Wu 等[18]通過14C－CO2穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步研究水稻連作、水稻/油菜輪作、油菜/玉米輪作體系下農(nóng)田土壤固定CO2自養(yǎng)微生物的固碳潛力，發(fā)現(xiàn)水稻連作土壤MBC、RubisCO 活性、cbbL豐度均顯著高于水稻/油菜輪作和油菜/玉米輪作的土壤，水稻/油菜輪作土壤MBC、固碳活性大于油菜/玉米輪作的土壤。 由上述研究結(jié)果可知，種植水稻有利于自養(yǎng)微生物的繁殖，從而促進(jìn)稻田生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用。 這些不同作物土壤自養(yǎng)微生物固碳能力的差異性可能是作物體系中根系分泌物、根茬等種類不同，因此為土壤微生物提供了不同的碳源。 比較不同種植模式對土壤理化性質(zhì)及有機(jī)碳質(zhì)量的影響，有利于優(yōu)化農(nóng)田種植模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.6 施肥

施肥改變土壤環(huán)境和養(yǎng)分狀況，調(diào)控固碳自養(yǎng)微生物的活性。 磷肥、氮磷肥、氮肥配施有機(jī)肥、氮磷肥配施有機(jī)肥4 種施肥處理均顯著提高土壤MBC[37]。 比較分析7 種不同施肥處理的農(nóng)田黑土土壤MBC，發(fā)現(xiàn)長期大量單施有機(jī)肥能夠顯著促進(jìn)玉米全生育期土壤微生物繁殖，提高土壤MBC；而秸稈配施有機(jī)肥、秸稈配施化肥和半量有機(jī)肥配施化肥只在玉米生長的最旺盛時期促進(jìn)土壤MBC 的提高[38]。 氮、磷素的添加會一定程度地影響土壤碳循環(huán)相關(guān)微生物的生長和代謝活動。 例如，基于磷素添加對土壤中3 條重要的CO2固定途徑(卡爾文循環(huán)、還原性三羧酸循環(huán)和3－羥基丙酸/4－羥基丁酸)的關(guān)鍵功能基因數(shù)量的研究發(fā)現(xiàn)，水稻分蘗期添加磷素顯著提高土壤中cbbL、cbbM、accA和aclB基因數(shù)量，而磷素添加對水稻拔節(jié)期土壤中cbbL、accA和aclB基因數(shù)量的促進(jìn)作用并不明顯，對cbbM基因數(shù)量甚至產(chǎn)生了抑制作用[39]。 然而，一些研究者對于施用化肥對固碳基因的影響有不一致的認(rèn)識，施用農(nóng)家肥或化肥(包括氮磷鉀)的黑麥土壤中cbbL基因拷貝數(shù)均低于不施肥土壤[28]；添加化肥氮磷鉀顯著降低小麥/大豆/玉米輪作土壤自養(yǎng)微生物固定CO2效率、cbbL和accA基因豐度[40]。 袁紅朝等[41]研究表明，3 種施肥處理的稻田土壤細(xì)菌cbbL基因豐度為3.35×108～5.61×108copies/g 土，氮磷鉀肥、氮磷鉀加秸稈還田處理后，土壤細(xì)菌cbbL基因數(shù)量增加，其中秸稈配施化肥處理土壤cbbL數(shù)量最多；同時，在3 個區(qū)域的水稻施肥試驗也表明，秸稈還田配施化肥土壤固碳細(xì)菌cbbL基因豐度和RubisCO 活性顯著高于不施肥或施用化肥的土壤[42]。 秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，還可增加農(nóng)田土壤微生物固碳[43－46]。將秸稈原料制備成生物炭還田后，通過影響土壤的比重、有機(jī)碳含量、孔隙度等而明顯提高農(nóng)田砂土土層中固碳微生物生物量以及cbbL基因拷貝數(shù)[47]，因此生物質(zhì)炭可以作為一種有效的農(nóng)田固碳減排措施。

3.7 環(huán)境因子

隨著溫室效應(yīng)的加劇，大氣中CO2濃度不斷升高。 CO2濃度、溫度和光照作為影響微生物生長的關(guān)鍵環(huán)境因子，對微生物的生長和代謝活動都會產(chǎn)生影響。 Hart 等[48]發(fā)現(xiàn)，在10%的CO2濃度和提高S2O32－含量以及避光條件下，培養(yǎng)40 h的土壤化能自養(yǎng)細(xì)菌能夠同化CO2的量為4.52 g/kg干土。 在水稻分蘗期、抽穗期，CO2濃度升高、溫度和CO2濃度升高互作均能夠提高土壤MBC；在水稻成熟期，土壤MBC 在試驗的CO2濃度或溫度處理之間均無顯著差異[49]。 土壤中不同優(yōu)勢自養(yǎng)細(xì)菌類群的碳固定關(guān)鍵酶對CO2的特異性或耐受性存在較大差異[50]，這也會導(dǎo)致固碳細(xì)菌的固碳能力不同。 高濃度CO2處理大豆田的研究結(jié)果顯示，表層土(0 ～5 cm)中RubisCO編碼基因豐度顯著升高[51]。 光照處理下水稻土和旱地土壤固碳細(xì)菌數(shù)量明顯高于遮光處理的土壤[27]。14C－CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)試驗表明，避光處理的土壤中未檢測到14C－MBC[23]，光能、化能自養(yǎng)微生物固碳活性被抑制[17]。

土壤含水量顯著影響土壤自養(yǎng)微生物固碳基因豐度和RubisCO 活性。 陳曉娟等[52]基于14CCO2連續(xù)標(biāo)記技術(shù)研究表明濕地土壤的MBC、細(xì)菌cbbL基因豐度與RubisCO 活性均顯著大于旱地土壤。 培養(yǎng)的前14 d，土壤cbbL豐度呈現(xiàn)隨含水量增加而升高趨勢，且淹水處理土壤在整個培養(yǎng)期間cbbL豐度最高；第14 天土壤含水量25%處理的RubisCO 活性顯著高于土壤含水量10%和15%以及淹水3 種處理；第28 天時低含水量(10%和15%)處理土壤中RubisCO 活性顯著低于高含水量(25%)及淹水處理；培養(yǎng)期間土壤cbbL豐度與RubisCO 活性呈顯著正相關(guān)線性關(guān)系[53]。 自養(yǎng)微生物的豐度和多樣性與土壤水分呈顯著正相關(guān)，而與土壤中C、N 含量呈負(fù)相關(guān)[26]。 這可能與淹水可減少土壤的物理變化，并能增加自養(yǎng)微生物生長所必需的無機(jī)養(yǎng)分含量有關(guān)。 因此，通過合理灌溉可以調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤的水熱狀況，從而有利于自養(yǎng)微生物發(fā)揮固碳潛力。

3.8 培養(yǎng)時間

農(nóng)田土壤自養(yǎng)固碳微生物不僅在空間上分布多樣化，還隨著時間的延長呈現(xiàn)動態(tài)變化。 通過14C－CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)農(nóng)田土壤試驗表明，在光照和避光處理下可能由于厭氧條件下及缺少新物質(zhì)輸入導(dǎo)致農(nóng)田土壤MBC 隨著培養(yǎng)時間的延長表現(xiàn)為下降趨勢[24]。 將土壤含水量分別設(shè)置為10%、15%、25%及淹水并于室溫下培養(yǎng)，結(jié)果顯示各處理cbbL豐度均隨培養(yǎng)時間延長而趨于上升，培養(yǎng)初期(第3 天)土壤cbbL豐度均顯著低于培養(yǎng)末期(第28 天)；低含水量處理(10%及15%)中RubisCO 活性在培養(yǎng)期間無顯著變化，土壤含水量25%處理第3 天及第7 天的RubisCO 活性顯著低于第14 天及第28 天，土壤淹水處理中培養(yǎng)3、7、14 d 的RubisCO 活性顯著低于第28天[53]。 選取江西鷹潭、浙江嘉興、湖南桃源古市和湖南桃源寶洞峪的土壤分別進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，培養(yǎng)前4 種土壤cbbL基因拷貝數(shù)均顯著低于培養(yǎng)45 d；浙江嘉興、湖南桃源寶洞峪土壤培養(yǎng)45 d 時cbbM拷貝數(shù)高于培養(yǎng)前；其他2 種稻田土cbbM基因豐度在不同培養(yǎng)時間之間無顯著差異[14]。隨水稻生長發(fā)育進(jìn)程，對照和磷肥處理土壤cbbL、accA和aclB基因拷貝數(shù)呈下降趨勢[39]。 在不同時期諸多因素通過改變土壤環(huán)境而影響固碳自養(yǎng)微生物類群，進(jìn)而對固碳微生物介導(dǎo)的固碳潛力產(chǎn)生影響。

4 農(nóng)田固碳微生物資源挖掘與應(yīng)用

農(nóng)田土壤固碳自養(yǎng)微生物種群豐富，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯方面發(fā)揮著不可或缺的作用[54]。由于自養(yǎng)微生物生長對環(huán)境因子要求比較特殊，生長速度較緩慢，然而針對農(nóng)田土壤固碳自養(yǎng)微生物資源開發(fā)與應(yīng)用的相關(guān)研究仍較少。 王競等[55]利用篩選培養(yǎng)基、置換排氣法配氣以及優(yōu)化培養(yǎng)基中H2、O2、CO2比例的方法，從花園土壤中分離篩選到1 株能夠高效固定CO2的氫氧化細(xì)菌。 Khalifa 等[56]以硫化亞鐵(FeS)作為能量來源，采用改良的礦物培養(yǎng)基從日本稻田土壤中分離得到1 株鐵氧化菌，命名為Ferrigenium kumadaigen. nov.， sp. nov.，對其16S rRNA 基因序列的分析表明，該菌株屬于披毛菌科(Gallionellaceae)，其在系統(tǒng)發(fā)育上與該家族的其他成員不同。 郭珺等[57]利用無碳源無機(jī)培養(yǎng)基從活性污泥、沼液和設(shè)施土壤中分離篩選出以CO2為碳源的菌株24 株，其中生長較快的8 株菌分別隸屬于假單胞菌屬(Pseudomonassp.) 和嗜甲基菌屬(Methanotrophssp.)。 花生根際土壤分離出兼性固CO2、N2菌株HSJ，表現(xiàn)出較高的固碳酶和固氮酶活性，其堿基序列與鏈霉菌屬(Streptomycessp.)6 個菌株的同源性為99%[58]。 從農(nóng)田土壤中篩選分離到固碳菌株后，繼續(xù)進(jìn)一步對固碳菌菌株進(jìn)行馴化和發(fā)酵條件優(yōu)化[58]，并通過土壤施用試驗使其能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐[57]，以吸收環(huán)境中的CO2減緩溫室效應(yīng)。

5 展望

農(nóng)田土壤自養(yǎng)微生物的固碳能力與土壤理化性質(zhì)、氣候因子以及農(nóng)田管理措施等多種因素密切相關(guān)，各因素之間可能存在相互作用。 整合14C同位素標(biāo)記技術(shù)和微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)(克隆文庫、T－RFLP 和定量PCR 等)，通過農(nóng)田原位或室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗開展土壤自養(yǎng)微生物時空分布的碳同化規(guī)律，及其響應(yīng)人為擾動和氣候變化耦合作用的機(jī)制研究。 由此核算與預(yù)測農(nóng)田固碳能力，構(gòu)建優(yōu)化的農(nóng)田管理模式，推動農(nóng)田納入“碳交易”市場。

自養(yǎng)微生物利用光能或還原性物質(zhì)的氧化獲取化學(xué)能，通過多種途徑實現(xiàn)CO2的捕集及轉(zhuǎn)化，同時，在固定CO2能力方面自養(yǎng)微生物表現(xiàn)出可持續(xù)性、可控性及可靠性。 設(shè)計培養(yǎng)基從農(nóng)田土壤中分離、篩選出具有固碳潛力的優(yōu)良菌種資源，并從營養(yǎng)成分、環(huán)境條件、人工電子供體等方面[59，60]提升菌株的固碳效率。 隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展，基于對固碳微生物的固碳途徑及其分子機(jī)制的深入研究和認(rèn)識，采用現(xiàn)代育種技術(shù)全面改造生產(chǎn)菌株，從而提高CO2的自養(yǎng)微生物固定效率，實現(xiàn)人工自養(yǎng)微生物的應(yīng)用，為固碳減排、實現(xiàn)碳中和提供新的途徑和菌種資源。 繼而將固碳菌種與農(nóng)田措施、其他微生物菌劑等方法結(jié)合起來，研發(fā)農(nóng)田土壤微生物固碳技術(shù)。