基本介紹
- 中文名：土壤微生物群落
- 外文名：soil microbial community
土壤微生物群落的定義及測度,土壤微生物群落構建的理論基礎,土壤微生物群落時空演變的尺度效應,空間尺度,時間尺度,土壤微生物群落的分析方法,土壤微生物群落的分布特徵,空間分布特徵,時間變化,土壤微生物生物量周轉：睡美人悖論,
土壤微生物群落的定義及測度
生態學中對於群落的定義為“特定時空條件下，生活於具有明顯表觀特徵的生境下、相互關聯的不同類群生物的有序集合體”其基本特徵包括外貌、種類組成與結構（如捕食關係等）、群落環境、分布範圍和邊界特徵等。雖然這一定義中實際上包含了一定範圍內的所有動物、植物和微生物，但事實上不同生態學家說到群落的時候，往往指的只是自己研究的對象，即動物群落或者植物群落。
這種說法上的差異在動物和植物研究中基本不存在問題，但是對於土壤微生物，以下問題需要注意 : （1）樣本的代表性決定了群落。微生物絕大多數是肉眼不可見的，因此對於土壤微生物群落來說，外在形貌、邊界特徵、分布範圍這些都是比較模糊的概念。實際的研究中是以極少量土壤樣本（0.25克到幾克）中的群落代表目標範圍內的微生物群落。 比如不同土壤類型之間微生物群落差異是很大的，但同一類型的土壤在養分梯度或者不同土層上也存在差異。因此，土壤微生物群落的界定是以研究目的為導向，而樣本的代表性決定了土壤微生物群落之間的差異。
（2）對微生物群落的表征取決於研究的問題。對微生物群落的表征可以面向包括真核生物和原核生物的所有微生物，也可以只針對執行特定功能的某些類群，即群落可以分為發生型和功能型兩類。
（3）對於群落內部的不同微生物之間的作用關係（即群落結構）當前並不能給出非常明確而全面的證據，因此我們只能先驗性地認為微生物群落內各類群之間存在聯繫，而後在此基礎上進行驗證。微生物之間的作用關係，可以通過分析代謝途徑反映或者通過生物統計方法（比如網路分析等）計算不同分類單元在數量上的變化規 律從而揭示兩者可能存在的聯繫。
對微生物群落的物種組成進行測度的基礎在於對微生物“種”的界定。由於微生物不具備明顯的生殖隔離等特徵，因此分子生物學中以序列的相似度定義微生物物種。最經典的判定方法為DNA序列雜交率70% 以上則為同一物種，但該方法在現 在的研究中並未得到廣泛套用。實際操作中，通常以基於rRNA基因或者編碼特定酶的功能基因的可操作分類單元（Operational Taxonomic Unit，OTU）表征物種水平的分類單元。一般認為相似度大於97%的rRNA基因序列屬於同一物種（即同一OTU）；對於功能基因，這一數據會視具體對象而有所變化，比如當前一般認為氨單加氧酶amoA基因的為85%，而固氮酶nifH基因的則為90%。同樣，微生物之間的親緣關係也是以基因序列的相似度來度量。當然，這種基於人為設定DNA序列相似度的界定方式在一定程度上並不能反映真實的物種差異。相比之下對土壤宏基因組DNA進行全基因組測序並拼 接的方法能更準確揭示物種組成 ，但由於土壤微生物種類龐大，全基因組拼接的準確度和難度都很高，因此並不常用。總體來說，基於OTU的物種分類方法雖然不是最好的但卻是當前最有效的微生物物種測度指標。
在確立微生物物種的基礎上，可進一步對多樣性和多度指標進行考量，比如測度群落內部的α多樣性 （豐富度以單個樣本中的OTU數量表征，均勻度以Simpson均勻度指數或者Gini係數表征，多樣性以 Shannon指數或者基於親緣關係的Faith指數等表征），反映群落之間差異的β多樣性（又稱周轉率，包括 S_rensen距離和Jaccard距離、Bray-Curtis距離以及基於微生物親緣關係的UniFrac距離等），以及y多樣性 （即洲際尺度上的α多樣性）。多度有兩種表征方法：一種是通過對特定基因進行定量PCR分析後折算為每克土壤中該基因的拷貝數表征；另一種則是通過測序方法，以不同分類水平上的序列條數占總序列條數的百 分比表征（即多度格局 ）。
土壤微生物群落構建的理論基礎
理論的完善是學科發展的充要條件。微生物生態學理論的發展包含了兩方面的內容：一方面是在現有的生態學研究體系下發展適用於微生物的理論框架；另一方面則是微生物領域的進展對原有生態學理論的補充和反饋。群落的構建機制是巨觀生態學體系的核心議題，同時群落也是微生物生態學研究的基本對象，因此土壤微生物時空演變機制實質上也是在不同空間和時間尺度下微生物的群落構建及演變機制。微生物群落構建理論基礎主要有三種，即：生態位理論/中性理論和過程理論，多樣性-穩定性理論。
土壤微生物群落時空演變的尺度效應
儘管在群落構建理論中沒有明確限定範圍，但自然界的所有格局與規律都具有尺度依賴性，我們觀察到的土壤微生物時空分布規律都是建立於特定的時間和空間尺度乃至分類尺度上的。因此，尺度效應是地理學與生態學等研究中必須考慮的關鍵問題。在不同的研究尺度上，驅動微生物群落構建機制的差異導致了群落演變規律的變化。
空間尺度
空間尺度可以簡單區分為大尺度、中尺度和小尺度，也可以根據具體的研究範圍劃分為微小尺度、局域尺度、生態系統尺度、區域尺度、洲際尺度、全球尺度等。微生物在不同空間尺度上的分布特徵是土壤微生物地理研究的主要方面。由於土壤微生物的大小在微米級以下，因此其空間分布可以涵蓋不同的研究尺度: 在厘米以下的微小尺度範圍內，土壤孔隙（團聚體）結構、微生物間的相互作用、根際效應等就可以導致微生物分布格局的差異；在米到公里的範圍內，土壤的異質性、植被的差異、地形等因素對微生物的分布產生影響；在幾百乃至上千公里的更大的尺度上32 ，土壤發育條件、氣候、乃至地理隔離等條件都影響到微生物的空間分布。
不同空間尺度下土壤微生物的分布特徵可能不同。最典型的例子是局域尺度（幾百米到幾千米）上海拔分布特局和區域尺度上（幾百公里到幾千公里）緯度分布格局的差異。海拔梯度和緯度梯度具有相似的環境條件，即隨著海拔/緯度的升高，溫度呈現線性降低並伴隨降水、植被、土壤等環境條件的變化。海拔梯度上的植物多樣性存在著降低或者單峰格局，而土壤微生物隨海拔梯度的單峰或者降低格局也被證實。在大的區域尺度上，生物多樣性的緯度格局是生態學中一個重要的問題。物種豐富度由熱帶到寒帶逐漸降低 這一基本格局對於大型動植物是確定的 ，但是對無脊椎的動物，包括蚯蚓、甲蟲等則缺乏適用性。現有的證據表明，生物多樣性的緯度格局似乎存在一種尺度效應，即體積小的生物在中緯度地區的多樣性最高。 由於缺乏在完整的緯度梯度上的詳實數據，土壤微生物的全球地理分布格局尚不確定。但根據現有的部分結果推測，土壤微生物的緯度多樣性格局很可能與大型動植物不一致。
從群落構建理論角度看，造成不同尺度下土壤微生物群落空間分布格局差異的原因在於群落構建機制的差異。這一解釋以生態位/中性理論的套用最為廣泛：當前生態學家趨向於認為生態位理論和中性理論都對 群落構建產生影響，但這種影響具有明顯的尺度依賴性，即小尺度下生態位理論的作用大於中性理論,而大尺 度下中性理論的作用大於生態位理論。在認可微生物擴散限制的前提下，根據過程理論的體系，擴散過程在小尺度比在大尺度更容易實現。
時間尺度
土壤微生物群落隨著時間的演變同樣具有明顯的尺度效應。時間尺度上的研究跨度可以從小時、天、月 到季節、年乃至更久。在小的時間尺度上，微生物群落動態的驅動因子是間歇性脈衝式的，從而引發微生物的 快速回響。比如，在經歷了長期的乾旱之後，降水導致的土壤含水量的增加會發生在幾分鐘到幾個小時或者幾天的時間裡，這使得某些親緣關係密切的特定的微生物突然復甦並持續增多，這種快速回響與氮礦化和土壤二氧化碳釋放等的變化密切相關。而在稍長的時間內，土壤微生物群落對環境條件的回響具有明顯的季節性差異：春季和秋季對土壤養分的回響最為積極，而夏季與植被之間關係密切。
土壤微生物群落的分析方法
當前常用於進行微生物群落多樣性的方法主要有磷脂脂肪酸、生理學、分子生物學等方法，但脂肪酸法更敏感，能夠快速、直接、較全面、有效提供土壤微生物群落的信息，且實驗條件要求較低，結果較為客觀，可靠。因此，脂肪酸生物標記法是當前較為流行的測定微生物生物量的一種新方法。
土壤微生物群落的分布特徵
土壤微生物群落的分布特徵是指土壤微生物群落的結構、種類、種群數最和微生物生物量等受植被特徵、土壤水熱動態、土壤有機質量、土壤通氣性和養分含量等生物和非生物因素的影響而表現出的時空變化規律。森林土壤微生物群落的分布特徵反映了微生物群落對生物和非生物環境的敏感性以及微生物群落對碳、氮、磷、硫等生物元素的利用和轉化狀況，是森林土壤肥力的重要生物學指標。
空間分布特徵
森林土壤微生物群落的空間分布（spatial distribution）特徵是指土壤微生物群落的種類、區系組成、種群數量和微生物生物量等在土壤剖面上的垂直變化規律、沿著經緯度的變化規律、在不同森林群落的變化規律以及在根際周圍表現出來的變化規律。
（1）垂直分布
土壤微生物群落的垂直分布（vertical distribution）特徵主要是指土壤微生物的種類、區系組成、種群數量和微生物生物量在土壤剖面上的垂直變化規律。這種垂直變化規律是土壤水熱動態、通氣性、酸鹼度、有機質含量和養分含量等土壤理化性質與微生物本身的特性綜合調控的結果。一般而言，隨著土壤深度的增加，土壤氧氣和有機物質的含量將降低，微生物的種類、種群數量和微生物生物量也會顯著降低。
（2）水平分布特徵
中觀水平的土壤微生物水平分布（horizontal distribution）特徵在很大程度上是由地理因素和土壤因素決定的，包括土壤微生物群落的種類組成、種群數量特徵、微生物生物量和活性隨經緯度、植被和土壤變化而表現出的變化特徵。經緯度控制著熱量和水分能量分配，從而在很大程度上控制著植被和土壤的發育，使不同經緯度的森林生態系統在物種組成、群落結構和生產力上存在較大的分異。例如，在低緯度地區，森林生態系統以闊葉樹種為主，不僅具有物種組成豐富、群落結構複雜、生產力較高、凋落物產量較高等特點，而且具有土壤溫、濕度較高和碳/氮較低等特徵，土壤微生物群落中，細菌數量比例和微生物活性相對高緯度地區的森林土壤較高。由於土壤有機層和礦質土壤層的微生物活性較髙，有機物質分解迅速，因而土壤有機層相對較薄。相反，在高緯度地區（如北方針葉林），森林生態系以冷雲杉等針葉樹種為主，受低溫限制和凋落物質量（較高的碳/氮、木質素/氮及纖維素/氮）的影響，土壤微生物的數量和活性相對較低，凋落物分解緩慢，常常在森林地表形成較厚的有機層。
（3）根際土壤微生物群落
根際（Rhizopshere），又稱根圈，是指組成根—土界面（interface）的特殊環境，是受到植物根系活動直接影響的土壤，包括與土壤功能相聯繫的所有生物學、化學和物理學過程。這些相互作用可能發生在根際內（endorhizosphere）、根外（exorhizosphere，或者 non-rhizosphere）和根表（rhizoplane）。甚至還提出 了“菌根圈”（mycorrhizosphere）的概念，用以表示根系的菌根菌拓展的根際。根際是土壤生態系統的重要組成部分，是功能多樣性的一個重要的源（source）和匯（sink），而菌根圈可能拓展了根際的範圍，對於根系較少的林木生長具有十分重要的作用。
根際一般由以下四部分相互聯繫的結構和功能組成：①土壤有機質和根凋落物（rootlitter），能為土壤微生物群落的生長繁衍提供能量和養分元素：②活的根系，作為大型生物促進了土壤微生物的生長繁衍，提高了土壤微生物活性；③以異養細菌為優勢群落的自由微生物；④包括固氮菌、菌根菌和放線真菌等在內的共生微生物類群。
植物根系（尤其是細根）能分泌蛋白質、胺基酸、糖類、有機酸、生長素、維生素和酶類等，從而使根際土壤環境的養分有效性、酶活性、微生物群落的組成、結構和活性等表現出不間於根外上壤的特點，這就是根際效應（rhizosphere effects）。此外，根系凋落和死亡歸還到根際土壤，為地下生物（subterranean）的生長繁衍提供了基質和能源，產生了另外一個所謂的次生根際效應（secondary rhizosphere effects）。例如，由於根際效應，根際土壤的微生物數量和微生物活性普遍髙於根外土壤；由於根際土壤普遍具有較低的碳/氮比值，因而更有利於土壤細菌的生長繁衍，從而非菌根植物的根際土壤普遍具有較高比例的細菌數最。深入研究根際土壤微生物群落的區系組成、結構和活性及其與林木營養之間的關係對於森林經營和管理具有十分重要的意義。例如，根際土壤是非共生固氮微生物活動的重要場所，通過在根際土壤接種非共生固氮微生物菌劑，可以改善貧瘠土壤上生長的林木營養，促進林木生長發育。根際土壤普遍具有較高的解磷細菌數量和磷酸酶活性，因此，使用根際土壤解磷細菌數暈較高、磷酸酶活性較強的樹種，對於在磷素有效性較低的土壤上的植被恢復與重建是相當重要的。
此外，諸如氨化作用、硝化作用、甲烷產生及硫的還原等根際異養細菌活性與生物地球化學循環和許多環境問題密切相關。深入研究根際土壤微生物群落在生物元素循環中的作用和地位，對於通過森林生態系統的經營和管理來消除或緩解環境變化是有利的。
時間變化
土壤微生物種群可能發生迅速變化。在幾小時或幾天的時間內，諸如突然的光合有機物質的輸入或潤濕乾燥的土壤等迅速的環境變化可能刺激微生物活性的迅速增強以及細胞繁殖。土壤微生物群落的季節變化主要表現 在微生物種群密度和微生物生物量可能隨著氣候或能量輸入條件的變化而變化。在更長的時間尺度範圍內，有機物質分解過程期間的物質轉化可能導致微生物分解者種群的變化，導致不同的微生物演替。
（1）短期變化（short-term variation）
受土壤團聚體結構的保護，在土壤水熱條件不適宜的生態條件下，土壤微生物可能處於休眠狀態，當生態條件又變得適宜時，處於休眠狀態的微生物可能迅速被激活。例如，被保護於微團聚體內的細菌在蔗糖溶液加入到土壤後的24小時內仍然被保護，位於團聚體外的真菌或細菌孢子的萌發也需要相近的時間。儘管在開始加入底物的24小時內幾乎沒有什麼變化發生，但在加入蔗糖溶液後的隨後幾天內，細菌的數量可能顯著增加。
（2）季節變化（seasonal variation）
土壤微生物群落對氣候等自然環境條件的變化相當敏感，水熱條件的季節變化必然導致土壤微生物種群密度、數量、種群結構和生物量的季節變化規律。對瑞典針葉林土壤細菌的研究表明，細菌生物量具有明顯的季節動態，在6月具有最低值，9月達到最大值，二者相差將近10倍。Kilbertus等（1982）觀察到，針葉林腐殖質層上面幾厘米的細菌種群密度變化相當大，6月具有最大的種群密度，而12月具有最小的種群密度，最大和最小種群密度相差100倍。Srivastava& Singh（1988）的研究表明，由於乾熱條件和較低的植被蓋度，熱帶土壤的碳（0.6%）和氮（0.01%）含量較低。但是，纖維素分解微生物、解磷細菌和固氮微生物對於草地和森林土壤的元素循環和養分供應是很重要的。儘管這些微生物種群的數量隨著季節和地點而變化，但這些微生物占總微生物數量的比例可能用於分析微生物生態的變化。雲杉林土壤纖維素分解微生物占微生物總量的比例介於41.84% ~ 86.37%之間。
土壤微生物生物量周轉：睡美人悖論
土壤微生物生物最周轉（soil microbial biomass turnover）是基於微生物生物量的產量等於輸入到土壤有機物質的50%的假說，通過平均微生物生物量與植物碳輸入之間的比較來估算的。當前有關土壤微生物生物量周轉時間的估計僅局限於少數土壤。Jenkinson&Ladd（1981）使用數學模型計算出英國和澳大利亞土壤的微生物生物量周轉時間分別為912天和456天。但是，受水熱條件脅迫的土壤，特別是砂質土壤的微生物生物量周轉時間可能顯著高於水熱條件良好的土壤。例如，加拿大Saskatoon的土壤微生物生物量周轉時間為1600天，而英國Rothamsted的土壤為570天，巴西的土壤為460天（Lavelle & Spain， 2001）。
當前有關土壤微生物生物量周轉時間的估計值是最優實驗培養條件下分離獲得的微生物菌落周轉時間的1000~10000倍（LaveUe & Spain，2001）。這意味著，土壤微生物僅僅在很短的時間內以及有限的微生境中具有活性，其他時間幾乎都處於休眠狀態。Foster（1982，1988）的細胞化學測試結果表明，僅有很少的細胞具有生理活性。因此，微生物群落似乎是一類“具有大量的物種豐富度以及在逆境條件下生存的能力的巨大的休眠種群” （Jenkinson& Ladd， 1981）。物種豐富度被認為是土壤微生物群落對土壤異質性（soil heterogeneity）的回響，而土壤微生物種群在大量時間處於休眠狀態的特徵被認為是其不具備主動獲取食物（養料）的一種適應機制。
