趙龍妹



摘要:土壤微生物是土壤生態系統中的重要組成部分,其多樣性在整個土壤生態系統的物質循環中起著關鍵作用,因此對其多樣性的研究具有重要意義。土壤微生物多樣性受到環境和人為干擾等多方面的影響,隨著研究的不斷深入,對其研究的方法也從傳統培養法發展到生化法和分子生物學法。目前青藏高原土壤微生物多樣性的研究已經取得一些進展,本文從青藏高原土壤微生物多樣性的影響因素、研究方法和研究現狀等方面簡要地綜述了目前國內外的相關進展。
關鍵詞:青藏高原;土壤微生物多樣性;影響因素;研究方法
中圖分類號:S154.3 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)14-0006-07
土壤微生物是土壤的重要組成部分,主要包括原核微生物(細菌、藍細菌、放線菌、超顯微結構微生物)和真核微生物(原生動物、真菌、藻類、地衣)兩大類,在整個土壤物質的循環中扮演著一個重要的角色。因此,土壤微生物的組成、分布及其多樣性是研究土壤生態功能和土壤生態平衡的關鍵,同時,土壤微生物的多樣性也受到不同地理環境中土壤理化性質的制約[1]。土壤微生物多樣性主要包括遺傳多樣性、物種多樣性以及生態系統多樣性,其中物種多樣性是土壤微生物多樣性研究中最基本的內容[2]。
青藏高原地勢高緯度低,地域遼闊,平均海拔超過 4 000 m,是目前全球海拔最高、面積最大的生態系統,獨特的地理位置造成了其特有的生態環境,青藏高原生物特有種豐富,珍稀瀕危物種多,從東南到西北分布著森林、灌叢、草甸、草原和荒漠等生態系統[3]。正是由于青藏高原生態系統的復雜多樣性,使其土壤微生物種類具有多樣性。土壤微生物的主要功能是降解土壤中的有機質,包括纖維素、半纖維素和木質素等木質纖維類物質,以此推動土壤生態系統中的物質循環。此外,土壤微生物也是土壤生態系統狀態的指示劑,正常情況下,土壤微生物都具備一定的多樣性,但是當土壤生態系統遭受到外界破壞時,比如由于過度放牧所引起的退化現象等,土壤微生物的多樣性以及功能微生物的活性都會發生不同程度的減少和喪失;相反,引入特定的植物微生物共生體系能夠幫助沙漠化生態系統的恢復[4]。因此,土壤微生物與其所在的生態系統之間存在著密切的互作關系。
青藏高原土壤微生物資源具有其獨有的特異性和豐富性,具有極高的科研價值,研究青藏高原土壤微生物資源特點對于探討分析高原乃至全球氣候環境變化、生物多樣性以及碳循環都具有非常重要的意義。本文針對青藏高原土壤微生物多樣性的影響因素、研究方法和現狀等作一簡要綜述。
1 土壤微生物多樣性的影響因素
土壤微生物參與土壤動態生化循環的多個過程中,如土壤有機質的分解、腐殖質的形成、儲備土壤養分以及為植物提供生長所需養分。土壤微生物多樣性主要指在遺傳、種類、結構功能和生態系統層次上,不同微生物所表現出的變化,也指土壤生態系統中所有微生物種類及其基因與環境之間相互作用的多樣化程度,可以理解為微生物生命體構成的豐富性,它代表了微生物群落的穩定性,也反映了土壤生態機制和土壤脅迫對群落的影響[5-6]。影響土壤微生物多樣性的因素,總體上可分為兩大類:一類是客觀環境因素,包括植被構成、土壤類型、溫度、水分;另一類是主觀人為因素,包括耕作方式和種植制度等管理方式(圖1)。
1.1 植被構成
植被生長代謝過程中所需的大量養分來源于土壤,而土壤中的養分又來源于微生物的代謝作用,比如根系固氮菌通過固氮作用提供土壤中的氮素等;另一方面,植物生長代謝過程中給周圍環境帶來的變化也間接影響著土壤微生物,植被對土壤中有機碳氮水平、含水量、溫度、通氣性以及pH值產生一定影響,從而間接地影響土壤微生物的多樣性,土壤微生物生長所需的有機物和能量來源于植被,如植物凋落物等,植被的存在也影響著土壤微生物的生存環境條件,比如土壤中含水量的變化受到植被疏密度的影響。因此,植被影響著土壤微生物多樣性和土壤微生物的生物量[7-9]。研究發現,不同草地類型土壤的養分含量隨深度增加的變化規律不同[10],這就導致不同草地類型不同層之間微生物多樣性的差異。現有研究發現,植物種類能夠影響土壤中的微生物群落多樣性(表1)。Zhang等通過使用宏基因組測序技術研究植被生產力和微生物多樣性之間的關系發現,植被生產力或者多樣性下降后,微生物可利用的新鮮植物資源減少,從而增加了生態環境篩選的壓力,使一些跟能量生產或轉化、物質運輸或代謝以及氨基酸循環相關的基因留存下來,而其他功能基因被淘汰;植被的缺失或增加所引起的碳能資源數量的變化會導致微生物功能基因多樣性的改變,而這種關系也構成了地上和地下群落間的重要聯結,異于傳統的將植被多樣性同微生物種類多樣性聯系在一起的理論觀點[11]。
1.2 土壤條件
土壤微生物多樣性與土壤特性密切相關[12],其主要與動植物的生物活性相關,但生物活性帶來的影響比較復雜,同時也會影響土壤本身的理化性質。有研究比較了南極洲菲爾德斯(Fildes)地區4種不同種類土壤的微生物多樣性和菌群結構,發現pH值、磷酸鹽磷、有機碳、有機氮含量是影響土壤微生物菌群結構最顯著的因素[13]。除土壤本身條件外,灌溉方式、森林采伐、植物凋落物、碳氮循環等都會對土壤中的微生物產生影響。
1.3 管理方式
人類對土壤的管理方式包括一系列的耕作制度、對農田施加肥料、對植物施加農藥等人為干預,都是通過改變土壤的理化特性而對土壤微生物多樣性產生影響。對瑞典南部不同農耕制度下田地土壤中叢枝菌根真菌(AMF)的組成和多樣性研究發現,永久牧場中的AMF多樣性最高,而耕作會削弱AMF的多樣性;地理位置、土壤類型、土壤的特性都不會影響AMF的多樣性和區系組成;AMF區系組成主要受到不同農耕制度的影響,傳統農耕過程中施用的肥料會影響土壤微生物的生命活動,使AMF的多樣性降低,而有機農耕能夠維持更高的AMF多樣性[14]。農業管理措施能夠改變土壤的理化特性,影響微生物的生長環境和群落區系組成,與微生物多樣性間可以相互影響作用[15]。土地使用方式的改變能夠顯著地影響土壤質量及其可持續性[16]。研究發現,有機農耕表層的土壤微生物生物量、有機碳氮量以及土壤酶活性都比傳統農耕和森林高,土地使用方式地改變能夠顯著地改變表層土壤微生物特性,而對底層土壤微生物特性影響較小[17]。
1.4 土壤理化性質
土壤理化性質是指土壤自身所表現出的一種物理化學特點,包括土壤pH值、有機質和氮磷含量等,能夠直接影響土壤微生物資源庫的組成。研究發現,森林采伐作業能夠通過降低土壤的多孔性和有機功能而顯著地影響土壤理化性質,土壤理化性質的改變又會導致土壤微生物群落(固氮和硝化細菌)定性和定量的變化;定性變化主要體現在物種的數量上,定量變化主要體現在微生物物種的豐度和均勻度上[18]。此外,土壤固氮微生物群落的多樣性隨著土壤pH值升高呈線性增加[19-22]。
1.5 溫度和水分
溫度和水分對土壤微生物多樣性的影響可以概括為氣候的影響,不同季節、氣候影響太陽輻射熱量以及降雨量,從而改變溫度和水分。土壤溫度以及土壤含水量的變化會影響植物新陳代謝速度,進而使植物向土壤中釋放與微生物生長相關的分泌物的過程受到影響,最終改變土壤中微生物的多樣性。雖然新陳代謝速度會隨著含水量的升高而升高,但是對于一些極端環境而言,如熱帶沙漠生態系統,水分含量的突然增加對土壤微生物帶來的影響還存在一定爭議。有學者在沙漠土壤的圍隔試驗中建立了不同程度降水量和溫度的模型,模擬了微生物區系在21 d中的應答,發現影響因素是降雨強度和溫度的交互作用;此外,氣候變暖和干旱都會對土壤微生物多樣性帶來影響,導致土壤微生物種類的變更[23-25]。
2 土壤微生物多樣性研究方法
土壤微生物多樣性研究主要針對土壤環境微生物的種屬、豐度、分布均勻度、結構變化和群落功能多樣性等進行,包括細菌、真菌、古菌等,土壤微生物多樣性可分為遺傳多樣性、功能多樣性、結構多樣性、物種多樣性[26]。隨著科學的發展、研究技術的進步,其研究方法從最傳統的一般培養法開始,歷經了改變和革新,逐漸向生化技術和分子生物學技術方面發展(圖2)。
2.1 傳統培養分離法
土壤微生物多樣性的研究方法主要有分為兩大類,一類是傳統的培養分離法,此方法通過對樣品進行稀釋、涂布選擇性平板、培養分離,獲取菌落總數和菌落形態來確定微生物的類型和組成,操作較簡單,容易掌握,但工作量較大。土壤中含有大量利用現在的技術手段不可培養的微生物,可培養微生物僅占微生物總數的0.1%~1%[27],因此,這種方法具有一定的局限性,僅僅依賴此方法獲得的研究結果只可片面地描述土壤中可培養的微生物多樣性情況,而不能夠獲得土壤所有微生物多樣性的情況。但是通過微生物培養法,能夠獲得某些微生物的特征性數據,比如菌落形態等,也可使用傳統培養法對微生物的功能多樣性進行深層次研究,因此在目前的研究中,可結合傳統微生物培養法與其他研究方法共同闡述土壤微生物多樣性的具體情況。
2.2 生化法和分子生物學法
生化技術和分子生物學技術在土壤微生物多樣性研究中的應用,大大提高了研究的效率和精確度。生化法主要包括基于底物利用率的代謝圖譜法和磷脂脂肪酸分析法,其中代謝圖譜法主要指Biolog微孔板法和底物誘導呼吸法,此類方法主要根據微生物代謝過程中產生的特征指紋圖譜來對其群落多樣性進行鑒定,適用于可正常培養且生長速度正常的微生物,磷脂脂肪酸分析法是利用活細胞細胞膜磷脂成分中的磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,簡稱PLFA)的結構多樣性和生物學特異性來對土壤微生物群落結構進行分析,該方法的準確性主要取決于脂肪酸的提取效果(圖3-a);分子生物學法是利用分子生物學技術,以土壤微生物的遺傳信息為對象進行研究,從而獲取土壤微生物多樣性信息,主要包括聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis,簡稱PCR-DGGE)、聚合酶鏈式反應-溫度梯度凝膠電泳(polymerase chain reaction-temperature gradient gel electrophoresis,簡稱PCR-TGGE)技術、單鏈構象多態性分析(SSCP)、限制性片段長度多態性(RFLP)、末端限制性片段長度多態性(T-RFLP)和擴增核糖體DNA限制性分析(ARDRA)、隨機引物擴增多態性DNA(RAPD)、熒光原位雜交技術、高通量測序分析技術等[28-30]。利用分子生物學法研究土壤微生物多樣性,首先要使用合適的方法從土壤中有效提取遺傳物質DNA或RNA,然后以此遺傳物質為對象,通過PCR擴增獲取目的片段,根據所選擇的方式,對片段進行測序、電泳、酶切等來分析遺傳多樣性(圖3-b)。因此,合理有效地提取土壤中的遺傳物質至關重要,應該針對不同土壤特性選取不同的提取方法。在提取污染和非污染土壤中細菌DNA的過程中,比較了2種提取方法,發現如果在細胞裂解的過程中進行腐殖酸純化,能更好地除去蛋白質和RNA,相反如果在細胞裂解后純化土壤中的腐殖酸則能夠更好地除去腐殖酸,這2種方法對DNA的提取率沒有影響,但是土壤細菌數量和菌群結構都受到了影響[31]。已有不少學者利用生化法和分子生物學方法來研究土壤微生物多樣性,取得了相應的進展(表2)。綜上所述,研究土壤微生物多樣性的試驗方法很多,每種方法都有優缺點、針對性和方向性,只有將多種方法有機地結合起來才能夠全面地分析土壤微生物的生態特征,這也是如今研究土壤微生物生態結構的常用方法[32]。
3 青藏高原土壤微生物研究現狀
目前,對青藏高原土壤微生物的研究主要集中在2個方向,一個是針對青藏高原特有的生態系統和土壤環境,研究土壤理化性質、土壤微生物量、功能微生物、基因豐度、土壤酶活性等指標的具體表現以及隨著海拔梯度或植被類型變化所產生的影響;另一個方向是探究不同的處理方式(包括放牧、模擬升溫以及植被恢復方式等)對土壤微生物群落的影響,旨在逐步揭示自然條件的變化和人為干擾對青藏高原微生物多樣性帶來的影響。
3.1 不同地域生態系統土壤微生物的研究
一些學者對青藏高原高寒草甸、凍土區以及沼澤等地區的土壤微生物群落結構以及土壤酶活性進行了研究,發現了土壤微生物多樣性的變化規律。通過對青藏高原高寒草甸土壤微生物量和酶活性進行研究,發現矮嵩草草甸土壤酶活性顯著大于金露梅叢間草地,且更有利于提高土壤養分并促進土壤微生物的生長和繁殖[39]。采用傳統平板培養法分析研究青藏高原不同退化程度高寒草甸土壤0~30 cm土層的細菌、真菌和放線菌數量,結果表明隨著高寒草甸退化程度增加,土壤微生物數量大幅度減少,其中真菌數量顯著降低[40]。采用PLFA技術對青藏高原藏東南地區色季拉山不同海拔森林土壤微生物群落結構進行研究,發現隨著海拔增高,土壤理化性質和生化指標沒有發生顯著變化,而微生物豐度呈現中峰優勢分布規律,在海拔3 900 m和4 000 m處生物量顯著高于低海拔和更高海拔[41];此外,該學者也使用PLFA方法對念青唐古拉山沼澤土壤微生物群落和酶活性進行了研究,結果顯示,高寒沼澤土壤理化指標、土壤酶活性和土壤微生物量都隨海拔增高而減小,年平均氣溫是影響該生態系統土壤微生物群落結構和土壤酶活性變化的重要因子[42]。利用454焦磷酸測序技術對青藏高原阿里地區土壤菌群結構多樣性進行研究,發現該地區土壤細菌有34大門類,微生物的相對豐度都與土壤總碳呈現一定的相關,且上層土壤微生物物種多樣性和系統發育多樣性顯著高于下層,土壤總碳對細菌群落的分布起主要作用[1]。對青藏高原凍土區土壤微生物的研究發現,隨著土壤深度增加,凍土年代遞增,可培養的微生物數量顯著減少,土壤中可培養微生物的數量與土壤理化性質無顯著相關關系,而與土壤深度關系密切[43],通過PCR技術和構建克隆文庫對凍土垂直剖面土壤中微生物多樣性進行研究,發現垂直剖面土壤中的古菌屬于泉古菌和廣古菌2個門,細菌分屬于10個類群,真菌均屬于子囊菌門和擔子菌門,多樣性較高[44]。利用Illumina測序技術分析青藏高原中部凍土區上層30 cm土壤中細菌群落組成,發現屬于酸桿菌門、變形菌門、擬桿菌門的較多[45]。青藏高原地區擁有多種極端環境,因此微生物資源相對豐富[46-49],通過對不同群落組成地上生物量、土壤養分及土壤微生物數量的分析,發現圓穗蓼草甸由于含水量較低,養分含量較好,土壤真菌、細菌和放線菌數量較多[50]。通過對青藏高原土壤中可培養放線菌的分析研究,篩選出的1 930株放線菌屬于11亞目16科,初步的分類學研究發現至少包括22屬,其中10種屬于迄今未知的種類[51]。在對青藏高原永久凍土區土壤原核微生物多樣性的研究中,發現大多數微生物屬于新種,表現出與現有種差異較大的多樣性,細菌多樣性和群落組成隨著取樣深度發生顯著變化,這些變化主要是由土壤生態因子(碳氮含量、pH值、傳導率)的變化而引起的[12]。通過對青藏高原不同海拔梯度土壤進行模擬增溫和降溫,利用16S rRNA基因測序分析土壤細菌群落,結果顯示增溫會導致α-變形菌、γ-變形菌、放線菌的相對豐度增加,酸桿菌、β-變形菌、δ-變形菌的相對豐度減少,而降溫會產生相反的結果,因此,增溫和降溫帶來的土壤中細菌種類的變化與溫室效應相關[9]。針對青藏高原凍土區,有學者研究了植被類型和土壤特性對微生物多樣性的影響,發現微生物類群在不同植被類型土壤中的變化規律,在沼澤草甸、草甸、干草原、荒漠草原中,變形菌門和酸桿菌門的比例逐漸降低,而子囊菌門和擔子菌門的比例逐漸升高,此外,還發現土壤中的碳氮比影響細菌群落多樣性,土壤水分含量影響真菌群落多樣性[52]。此外,也有研究分析了特殊功能基因在青藏高原土壤微生物中的分布情況,發現林芝、日喀則和那曲地區土壤中的微生物能夠檢測到厭氧氨氧化菌,而且旱地與濕地相比具有更高的多樣性[53]。綜上所述,已有學者針對青藏高原特殊地域土壤的微生物群落組成情況作了細致的研究,并獲得了一些進展。
3.2 不同處理方式對土壤微生物影響的研究
不同處理方式對于土壤微生物群落乃至整個土壤生態系統都會產生較大的影響,青藏高原土壤生態系統比較復雜,有相關研究報道了放牧、增溫以及植被恢復方式等對青藏高原土壤微生物群落產生的影響。通過對青藏高原高寒草甸4個放牧梯度下土壤微生物特征比較分析發現,中等放牧水平處理下的土壤微生物量較高,放牧強度對微生物群落結構不存在顯著影響,適度放牧可以增加土壤有效碳氮庫[54]。通過開頂式溫室(open top chambers,簡稱OTCs)升溫以及刈割、施加牛糞處理,采用PLFA方法研究了青藏高原東部高寒草甸土壤微生物群落結構對氣候變暖和放牧的響應,發現模擬升溫和放牧均可顯著影響土壤微生物群落結構,增加細菌相對含量,降低真菌相對含量,因此放牧和全球氣候變暖會顯著影響青藏高原高寒草甸土壤微生物群落結構,進而可能會對該區整個生態系統造成影響[55-56]。也有研究發現,在短期內增溫能夠改善青藏高原高山草甸土壤生化和微生物相關指標[57]。有學者研究分析了幾種不同的植被恢復方式對高寒草原區土壤微生物的影響,結果發現與自然恢復相比,人工種植植被能夠更快速有效地增加植被蓋度和多樣性,提高土壤微生物物種和功能多樣性[58],對于遭到破壞的青藏高原生態系統,使用單播梭羅草的人工種植方式能夠獲得較好的恢復效果。通過研究增溫和氮沉積對青藏高原高寒草甸生態系統的影響,發現氮沉積顯著改變了土壤表層微生物群落,尤其降低了真菌/細菌值,增溫會導致真菌多樣性降低、放線菌多樣性增加,這些變化都是通過影響土壤特性和植物群落而產生的[59]。通過研究紫外線輻射對青藏高原高寒草甸生態系統中微生物群落的影響,發現紫外線輻射會降低土壤可培養細菌數量和種類[60]。隨著寒區油氣資源的開發利用,青藏高原高寒地區的生態環境遭到原油污染的程度日益加劇,通過對青藏高原土壤中原油降解菌的研究,從10個原始土樣中富集培養獲取了53種微生物和相應的94種降解酶基因,以假單胞菌和不動桿菌為優勢菌群,此外還包括變形菌、放線菌、擬桿菌,降解酶基因的多樣性低于海洋環境和極地環境樣品,這些結果也反映了青藏高原生態環境還未遭到原油的嚴重污染[47]。因此,外界環境因素的變化會對青藏高原土壤微生物群落組成產生影響,進而導致青藏高原整個生態系統狀態的改變,這些改變還將作用于微生物群落,從而產生周而復始的影響。
4 結語
青藏高原作為全球平均海拔最高的自然生態地區[61-62],在近年來人為干擾和氣候變化的作用下,其生態系統結構和物種數量發生了較大的變化,這些變化又與全球氣候和生態變化息息相關,因此對青藏高原地區土壤微生物多樣性進行深入研究很有必要,通過將傳統研究方法和生化、分子生物學研究方法進行有機結合,來研究土壤微生物生態系統多樣性以及群落結構的變化,進而揭示青藏高原生態系統物質循環規律,為更好地保護以及合理利用青藏高原生態環境提供有利條件。
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