土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

土壤微生物是陆地生态系统最重要的生命组分之一,其在为自身生存获取资源的同时,驱动着生态系统物质和能量的流动,调控着养分元素在生态系统中的循环。土壤酶作为生态系统的生物催化剂,是土壤有机体的代谢驱动力,在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用,且因其对环境等外界因素的敏感性成为陆地生态系统变化的预警和敏感指标。土壤微生物在生境中具备维持群落“内稳态”的能力,其在生物地球化学循环过程中起着至关重要的作用,而土壤微生物对土壤有机质的分解及养分循环受到土壤环境中胞外酶的调节,胞外酶在传递微生物与外界物质、能量交换中起着关键作用,在调节土壤微生物呼吸作用的同时调控着养分元素的交换。20世纪以来,全球环境变化趋势明显,而气候变化对土壤微生物及酶活性的调控作用是显著的。Zogg等通过整合分析发现,陆地温度、大气CO₂浓度的变化引起土壤温度的改变,可以直接影响微生物的代谢速率以及酶活性,同时,温度的改变可造成植物生长变化、地上部分碳输入功能转变、土壤水分和养分变动,间接调控土壤微生物和酶活性;Treseder研究证实,大气氮沉降可影响植物新陈代谢活动、地上地下养分元素传输及矿化速率,从而调控土壤微生物及酶活性;Bardgett等通过对气候变化下植物-土壤间的养分运输研究发现,陆地降水变化易引起土壤湿度变化,导致土壤微生物呼吸速率及养分运输改变,从而影响土壤微生物代谢活动。因此,探索陆地生态系统在全球气候变化背景下土壤微生物对碳氮磷循环的调控机制、胞外酶与土壤微生物的养分耦合关系,以及土壤微生物的养分循环对地上植被生长、凋落物功能特征和土壤环境因子变化的调控机制成为了目前陆地生态学的研究热点,也是研究生物地球化学循环的重要内容。

土壤微生物个体微小和群体巨大造成了对其生物多样性、物质循环以及与生物间相互作用研究的复杂性,且土壤微生物和酶之间耦合关系调控困难度和土壤酶对环境因子变化的敏感性也成为了研究的难点,因而微生物生态学研究面临着巨大挑战。生态系统的生物地球化学循环与养分元素的运输及动态分布有着紧密联系,而以养分元素特定化学计量关系分析的生态化学计量学的运用,有助于研究土壤微生物代谢过程和酶活性相互耦合关系及其内在机理,并提升我们对微生物和酶活性的认识以及相关机理的完善。生态化学计量学是基于元素比率来研究生态过程和生态作用的学科,是考察生物体和生态系统结构和功能以及生态环境和生物体养分循环机制的重要方法。生态化学计量学研究早期的“生长速率假说”指出,环境C∶N∶P的变化可以影响有机体的生长速率,进而影响其种群动态分布特征。生态化学计量学是生态学与生物化学、土壤化学研究领域的新方向,也是研究植物-土壤微生物-凋落物相互作用、微生物在生态系统中的影响和物质循环的新思路,且其综合了生物学、化学、物理计量学等基本原理,可以更加深入探究生物之间的养分循环内在机理以及生态系统组分之间的联系。

近些年,在全球气候变化背景下对土壤微生物的研究越来越多。目前,C∶N∶P化学计量学特征已经被广泛应用于物种组成及其养分循环、生态系统限制元素分析、凋落物-土壤微生物物质循环、微生物活动对生态环境的影响,以及土壤胞外酶活性(extracellular enzymatic activities,EEA)与生物分解和养分循环的生物化学机理等方面的研究中。我国对全球气候变化背景下土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量的系统综述较少,对于土壤微生物对全球气候变化的响应,以及胞外酶活性与土壤微生物代谢过程的响应机制尚不明确。为此,本研究基于生态化学计量学理论,说明微生物在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用以及微生物与胞外酶之间的耦合关系,综述土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量特征及其在全球气候变化背景下的响应规律,并综合分析微生物-土壤胞外酶之间养分动态变化特征及其养分化学循环机制,最后分析当前研究的不足,提出亟待解决的问题,以期推动该领域的发展。

土壤微生物是陆地生态系统的重要组分,作为陆地生态系统碳氮磷循环中的核心环节,其群落结构和功能特征的变化影响着生物地球化学循环过程。土壤微生物通过分解作用对养分元素进行矿化并释放到土壤中,推动着生态系统的物质循环,同时,土壤微生物可通过调控自身代谢过程来应对全球变化下生态系统的变动。土壤酶是指土壤中的聚积酶,包括胞外酶、胞内酶和游离酶等,主要是动植物残体分解、植物根系外渗物和土壤微生物活动过程中释放的酶,其中土壤胞外酶是土壤有机质分解的主要介质,其活性常与微生物代谢过程、养分的生物化学循环联系起来。多数胞外酶通过微生物响应环境条件的变化而被表达、释放到土壤中,另一些则是通过细胞溶解进入土壤,微生物在代谢过程中通过和胞外酶之间建立的养分元素、能量物质传输与土壤、植被和大气间完成物质能量循环过程。因此,土壤微生物与胞外酶的关系紧密,且在陆地生态系统的生物地球化学循环中起着至关重要的作用。

生态化学计量学认为,在生态系统中的任何组成物质都是由C、N、P和其他元素按照一定比例组成的,并且不同营养层级的物质能量传递同样存在特定的化学计量关系。而微生物与外界环境和生物之间存在着C、N、P和其他营养元素的传输,其间通过胞外酶等介质进行物质和能量交换,即微生物可通过胞外酶将资源中的有机态转化为无机态,且显著改变生态系统中C、N和P的比例。β-1,4-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase,BG)、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(β-1,4-N-acetyl glucosaminidase,NAG)、亮氨酸氨基肽酶(leucine amino peptidase,LAP)和磷酸酶(acidoralkaline phosphatase,AP)等胞外酶的活性与微生物代谢、养分的生物循环密切相关。在目前的研究中,常将BG∶(NAG+LAP)、BG∶AP和(NAG+LAP)∶AP与养分元素C∶N、C∶P和N∶P相联系,用来评价微生物生物量C、N、P养分供给情况,继而提出了土壤酶化学计量的概念。Allison等研究发现,土壤磷酸酶活性与土壤P的有效性呈负相关,而N有效性的降低可以促进乙酰葡糖氨糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性的提高。Bardgett等和Suseela等研究发现,土壤微生物中SOC的分解造成胞外酶对土壤C的降解从而影响土壤呼吸作用,而微生物可调控胞外酶活性,间接改变土壤、植被等有机体中养分元素的动态变化。此外,土壤的吸附作用也与土壤微生物息息相关,而微生物对无机盐的吸收则需要通过胞外酶的调控。因此,微生物和胞外酶在陆地生态系统碳氮磷循环中起着关键的调控和驱动作用。

在全球气候变化背景下,气候变暖、大气氮沉降加剧、CO₂浓度上升和降水量变化引起地上植被、凋落物、根际分泌物、土壤湿度、土壤温度和土壤pH等因素的变化,改变了土壤微生物与植被、土壤之间的养分分配,直接或间接地影响了微生物的代谢过程和自身生长以及群落结构,从而调控土壤微生物生物量C、N、P生态化学计量特征。土壤微生物自身具备“内稳态”调节能力,在自身代谢过程中,与胞外酶之间的耦合关系引起生态系统中C、N、P的利用效率变化,通过养分供给、矿化及养分固定等方式对植物生长、土壤环境进行正、负效应驱动及调控,加强或减弱由于气候变化对陆地生态系统造成的影响。

温度变化对土壤微生物生物量C、N、P生态化学计量学特征的影响在时空上具有较大差异。Li等通过整合分析了全球164个研究点中652个土壤微生物生物量N(MBN)和P(MBP)及其比值的试验数据,得出温度变化与MBN∶MBP呈显著正相关,其中MBN和MBP的含量与温度变化呈显著负相关,随温度上升呈下降趋势。表明由于热带土壤成土发育较成熟、过滤系统发达、淋溶严重,引起低纬度地区土壤P大量损耗,导致低纬度地区MBN和MBP含量低于高纬度地区,而MBN∶MBP大于高纬度地区,且差距占比为14。9%。而且,文中还阐述了温度-生物地球化学假说(TBH)和温度补偿假说(TCH):在高纬度、温度较低的条件下,土壤微生物可增加MBN和MBP含量用以补偿在低温环境中的低活性。Sinsabaugh等对全球24个生态系统、41个样地数据的酶活性C(BG)、N(NAG+LAP)和P(AP)养分浓度及其生态化学计量学特征进行数据整合发现,土壤酶C∶P(lnBG∶lnAP)与温度变化呈显著负相关,在温度升高过程中C∶P(lnBG∶lnAP)降低了0。7%;土壤pH对固定在土壤基质中的胞外酶活性具有直接的生物化学作用,尤其在高纬度地区土壤过氧化物酶(PER)和酚氧化酶(POX)易受土壤pH的调控;土壤有机质(SOM)与土壤pH和土壤酶活性呈显著相关,在干旱地区,土壤碱性加强造成土壤有机质下降,进而导致土壤酶C∶P(lnBG∶lnAP)降低。

Parry等预计,到2100年全球温度将上升2。4~6。4℃。随着全球气温的上升,生态系统中的营养元素含量和物质循环也将发生不同程度的变化,而且在干旱的森林和沙漠生态系统中均发现,温度的上升造成土壤酶活性下降,并且在此过程中对土壤微生物造成影响。为说明温度上升对土壤微生物生物量C∶N∶P生态化学计量特征的影响,大量研究对生物圈中不同地域不同温度条件下进行MBC、MBN、MBP量进行测定或对试验地区进行一系列温控试验(表1)。多数研究认为,大部分地区MBC∶MBN、MBN∶MBP和MBC∶MBP随气温上升而升高,原因主要有3个方面:1)温度升高会增加土壤微生物的活性和土壤酶活性,加快有机质分解和吸收,提升微生物代谢过程,并且微生物对有机碳利用效率(CUE)大于磷利用效率(PUE);2)温度的升高使得自养微生物量(AMB)总体大于非自养微生物量(NAMB),微生物呼吸速率增大,导致对有效碳的吸收速率增强;3)温度诱导增大了微生物氮利用效率(NUE),并加剧了植物生长和微生物活动的磷限制,减弱了对磷元素的利用效率。相反,部分研究表明,增温对MBC∶MBN没有影响,其中多数试验是在森林系统中进行,温度上升后确实改变了生态系统整体对营养元素的利用效率,但微生物呼吸效率却未受显著影响。

然而,在气候较为寒冷的地区,气候变暖对土壤微生物生物量C∶N∶P的影响研究结果却不同。Rinnan等和Callahan等发现,在长期的模拟增温试验后,土壤MBC、MBN浓度降低,且其MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP与温度呈负相关。Sinsabaugh等研究也发现,土壤酶C∶P(lnBG∶lnAP)与年均温呈显著负相关,随气温的上升土壤酶C∶P(lnBG∶lnAP)从1.1∶1下降到0.7∶1。这可能是由于气温的上升降低了土壤水分含量,进而导致真菌和细菌的生物量比值下降,造成微生物中活性炭大量损失和营养元素失衡,从而影响微生物和酶活性及其C∶N∶P化学计量比。同时,在温度较低的区域,升温易导致冰雪消融程度加大,进而造成该地区生态系统营养元素的大量损失,最终导致MBC、MBN下降。Gao等在模拟增温试验中发现,通过增温1.16℃,不同土壤土层(0~10、10~20cm)的MBC增加了39.3%、70.8%,MBN增加了66.5%、178.3%,MBC∶MBN下降。Xu等发现,模拟增温显著增加了营养物质的可利用性,但土壤微生物生物量却未受明显影响,表明土壤微生物本身并没有直接从营养物质的更高可利用性中获益,但是微生物生物量碳氮浓度的增加,表明微生物在气候变暖过程中加强了生物呼吸作用。那么,全球变暖导致的寒带地区冰融作用加强及微生物营养元素对不同季节的响应程度,是否会影响土壤微生物C∶N∶P生态化学计量学特征及微生物对营养元素的吸收速率,以及不同温度条件下如何调控土壤酶活性及其吸收利用养分元素的能力和速率的响应机制,仍需要进一步的研究。

20世纪由于人类活动干扰(如化石燃料排放、农业肥料使用等)使得陆地生态系统氮沉降水平成倍增加,至2050年,全球氮沉降将达到目前的两倍。大气N沉降不仅影响森林N的固定能力,也可能加速土壤N淋失,引起土壤N利用效率、土壤C∶N、C∶P、N∶P化学计量比值以及土壤酸化等一系列问题。为了更好地研究氮沉降对土壤微生物生物量C∶N∶P化学计量特征的影响,对于模拟氮沉降环境下土壤微生物的群落结构、生物活性和碳氮磷化学计量特征等进行试验研究(表2)。多数研究发现,氮沉降作用易造成MBC∶MBN、MBN∶MBP、MBC∶MBP上升,其原因有3个方面:1)氮添加条件下,地上植被及凋落物等通过物质循环增加对土壤C输入,导致MBC含量上升,从而加强生态系统生产力,并增加土壤微生物磷酸酶活性,且氮沉降提升后造成土壤微生物加强了对P的消耗,导致土壤P限制。2)氮富集可以通过降低土壤pH值和抑制木质素降解速率来抑制真菌活性,但同时可增强土壤酶活性和土壤真菌对凋落物的分解能力,使得土壤微生物生物量碳氮比值增加。3)氮沉降作用增强了植被净生产力,加强生态系统C循环,进而提高了土壤微生物对土壤C的利用效率。

土壤胞外酶C(lnBG)∶N[ln(LAP+NAG)]∶P(lnAP)在全球尺度上的比值约为1∶1∶1,说明在生物地球化学循环之间C、N和P营养元素存在相互耦合关系。胞外酶通过在微生物体外将动物残体、植物凋落物等有机物质分解为活性物质,以便于微生物自身吸收与同化。并且土壤微生物对C、N的获取主要通过吸收氨基酸和氨基糖来获取,而对P则是通过磷酸酶的水解获取。因此,土壤微生物与胞外酶的养分元素循环存在关联性。Olander等研究发现,氮沉降与酶活性C(lnBG)∶P(lnAP)、N[ln(LAP+NAG)]∶P(lnAP)呈显著负相关,随着氮添加程度的提高,易造成土壤P限制。前人研究发现,土壤P的限制增强了微生物随磷酸酶的活性,从而降低了C(lnBG)∶P(lnAP)、N[ln(LAP+NAG)]∶P(lnAP)。

但也有研究认为,土壤微生物生物量C∶N、N∶P与氮沉降呈显著负相关。Johnson等在模拟氮沉降试验中发现,随氮添加浓度的增大,MBC浓度下降40%,而MBC∶MBN下降47%。有效氮的大量输入限制了土壤微生物利用根分泌物合成额外的生物质和胞外酶的能力,造成了土壤微生物对营养元素的利用效率显著下降,使得土壤微生物中C、P浓度降低,MBC∶MBN、MBN∶MBP下降。其次,无机氮的高沉积速率通常会增加木屑、单宁和其他次生植物化合物等含量相对较低的凋落物质量损失,导致土壤中营养元素的损失,从而影响微生物对C、P的利用率。Johnson等认为,长期施氮过程中,在酸性或钙质土中MBC浓度没有影响或有所下降,这影响了元素之间的转化效率,且当氮添加到一定程度后,土壤微生物生物量磷的减少导致P成为了限制因素,造成MBN∶MBP上升。今后的研究还需进一步明确微生物与胞外酶的生态化学计量学特征之间的相互耦合机制。

二氧化碳(CO₂)被认为是全球气候变化加剧的最重要原因之一。另外,CO₂对全球变暖的影响预计将持续,对CO₂导致的生态系统营养元素及群落结构变化的研究也在不断完善和深入。CO₂不仅是植物光合作用的底物,还是微生物呼吸的产物,大气CO₂浓度的增加势必引起地上植被碳同化速率的积累、营养元素的分配策略以及土壤微生物代谢过程,从而导致MBC、MBN、MBP浓度变化及其比值发生变化。Heuck等、Tischer等和Xu等通过对土壤微生物生物量C∶N∶P化学计量特征的研究发现,CO₂浓度的增加引起MBC∶MBN、MBC∶MBP上升,其原因有3个方面:1)微生物中的细菌将有效碳以糖原、淀粉或脂质的形式储存,存储在细菌中的MBC含量可以达到细菌干质量的20%~40%,提高CO₂浓度的条件下,微生物通过代谢活动间接提升了MBC浓度。2)增加CO₂浓度可以通过根部和根部分泌物增强活性碳的地下分配,这可以增强微生物活性并促进惰性碳的部分分解,增强土壤微生物对C的利用。3)CO₂对土壤碳输入的影响和植物对水和养分的利用往往对微生物过程具有协同效应,增加的CO₂浓度增强了植物氮素吸收、微生物生物量碳、微生物活性碳,提升了MBC浓度及MBC∶MBN、MBC∶MBP。

尽管微生物在很大程度上是稳定的,但土壤微生物生物量在其C∶N∶P化学计量中表现出相对灵活性,并且在生物群落和生态系统类型之间发现了显著差异,在增加CO₂浓度过程中,微生物表现出的内稳态变化及营养元素前后差异等需要做进一步研究。Dijkstra等在半干旱地区的研究发现,CO₂浓度与MBC∶MBN、MBN∶MBP呈显著负相关,其中MBN∶MBP随着CO₂浓度提升而下降了7%,且研究表明,高CO₂对植物和微生物有效MBN∶MBP的反作用是受土壤水分变化驱动的。Carreira等也指出了由CO₂升高引起的土壤水分变化会影响P和N的比例供应。Eljaschewitsch等研究发现,P大部分来自土壤对沉积岩的矿化作用,无机磷在土壤中的解吸和溶解可作为微生物的重要来源。Lambers等揭示了土壤水分的增加会加强P的扩散率,从而增强微生物对P的吸收,CO₂浓度的升高使得土壤湿度增加,导致P的矿化作用加强。而Austin等研究发现,当土壤湿度增加,土壤微生物通过硝化和反硝化作用造成的N缺失或通过浸出损失NO₃可能会降低N的相对利用率,从而降低MBN∶MBP。

在提升大气CO₂浓度的过程中,不同地区研究结果不同,说明在微生物代谢过程中,其对土壤环境的变动存在不同的响应机制。对于生态系统,二氧化碳增加对土壤湿度、温度的影响可能会改变氮和磷的相对供应,并最终导致系统初级生产力、土壤有机质分解和生物多样性的变化。其次,增加的CO₂可以改变植物和微生物之间的相互作用,有利于植物对氮的利用,从而减缓微生物分解并增加生态系统碳积累。然而,CO₂浓度上升对MBC、MBN、MBP生态化学计量学特征影响的研究尚不够深入,需要进一步分析其在全球尺度上影响土壤微生物整体特征的生物与非生物因素。

根据IPCC报告,随着全球平均表面温度的上升,中纬度大部分陆地地区和湿润的热带地区的极端降水很可能强度加大、频率增高,导致极端降水事件增多。土壤湿度的高低主要取决于生态系统降水量的多少,同时与区域生态系统植被光合生理过程、土壤养分循环密切相关。目前,多数研究降水量增加对土壤微生物生物量C∶N∶P化学计量特征的影响时,降水量增加导致MBC∶MBN、MBC∶MBP下降。Chen等研究发现,在半干旱地区降水量增加造成土壤水分增加,在潮湿条件下,土壤微生物对N的固定加强。Lambers等研究表明,降水量增加后土壤水分可以增强微生物对P的矿化作用,使得MBC∶MBP下降。Dijkstra等在半干旱地区研究发现,降水量与MBN∶MBP呈显著负相关。同样,土壤湿度的增加也会对酶活性造成影响。Sinsabaugh等对数据整合分析发现,降水量变化与胞外酶C∶P(lnBG∶lnAP)、N∶P[ln(LAP+NAG)∶lnAP]呈显著负相关,其中,C∶P(lnBG∶lnAP)、N∶P[ln(LAP+NAG)∶lnAP]随着降水量的上升分别下降了0.8%、0.11%,而与胞外酶C∶N[lnBG∶ln(LAP+NAG)]反之。由于降水量增加造成土壤水分上升,在土壤潮湿条件下,土壤中N淋溶和损失的比例较P大,湿润条件下微生物通过胞外酶加强了对N的反硝化作用,而酶活性的增强也使得对土壤有机碳的利用加强。

降水量的变化与微生物群落结构的变化密切相关,并调控着微生物的稳定性。Castro等发现,降水量的变化改变了变形杆菌和酸杆菌的相对丰度、真菌群落组成,间接影响了土壤微生物对营养元素的消化与吸收,引起土壤C∶N∶P化学计量特征的变化。而Chen等研究发现,随着降水量的增加,MBN∶MBP没有显著影响,但却改变了MBN、MBP浓度,表明湿度的变化易造成土壤养分元素矿化和吸收速率。目前,对于植物-凋落物-土壤微生物之间C、N和P传递与调控机制的研究尚未深入,对此现象的全面解释还比较困难,因此,土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对降水量变化的响应机制还有待进一步研究。

微生物及胞外酶在生态系统生物地球化学循环过程中起着重要作用。在全球气候变化背景下,植物生长和土壤因素的改变影响了微生物新陈代谢活动及酶活性,促使C、N、P利用效率变化。在一般情况下,土壤微生物内部具有内稳态机制,而微生物利用土壤胞外酶进行的养分元素化学循环与环境变化密切相关。微生物与土壤酶通过调控养分供给和矿化以及养分固定以正、负效应的形式对植物、土壤等有机体代谢活动和养分循环进行调节和驱动。综合分析提出,微生物碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制:1)改变微生物代谢速率和酶活性;2)调整微生物群落结构;3)调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;4)改变碳氮磷养分元素利用效率。其中亟待解决的主要问题有:1)土壤微生物在气候变化下的响应机制不明确,微生物和酶活性C、N和P养分循环机制探究尚浅。虽然通过上述分析得出气候变化下通过改变微生物代谢速率和酶活性可调控碳氮磷化学计量比值。然而,土壤微生物在多种气候变化特征下与胞外酶的耦合机制仍不明确,需要整合全球陆地生态系统的C∶N∶P生态化学计量学特征及其比值、区域水平下土壤微生物群落结构和新陈代谢活动变化特征,以及土壤酶活性变化特征。此外,植物-凋落物-土壤微生物C、N和P营养元素之间的传递机制、动态变化以及微生物与土壤胞外酶物质循环机制的研究尚需深入。2)土壤微生物和胞外酶养分耦合机理,以及气候变化过程中生态系统的环境因素交互影响机制尚不明确。在气候变化背景下调整微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量特征及其养分元素利用速率可对植物-土壤-微生物养分元素进行调控,但对于全球气候变化导致的微生物种群变化是否会影响生态系统结构和功能,以及生态系统地上植被变化对于土壤微生物生物量碳氮磷和胞外酶C(lnBG)∶N[ln(LAP+NAG)]∶P(lnAP)化学计量值的影响机制也不明确。此外,需要进行气候变化多因素协同效应的研究。3)探究土壤微生物和土壤酶生态化学计量特征对气候变化的适应对策。在全球气候变化背景下,不同气候变化因素(如气温升高、氮沉降增加、CO₂浓度升高和降水量变化等)对土壤微生物群落结构可产生较大影响。需多角度、多层次地对土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶生态化学计量特征的响应机制、区域尺度下土壤微生物营养元素分析以及土壤微生物-胞外酶之间养分化学循环的耦合机制进行研究。

来源：农业环境科学