干旱对土壤微生物的影响及其与碳动态的关系

黎 雪，张坐省，党占平，王 灿

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100）

20世纪以来，干旱面积扩大，湖泊和河流水位下降，部分干涸和断流，以及全球温度升高。这一系列的变化对陆地态系统的碳循环产生极大影响[1-3]。但是，由于碳循环涉及许多复杂的生态系统过程，例如，植物光合作用、微生物分解、胞外酶代谢[4-6]，使得干旱下土壤碳变化的机理研究存在很大的不确定性，这对认识陆地生态系统碳循环带来了巨大的挑战。

土壤微生物是陆地碳循环的调节者[7]，因此，了解干旱刺激下的微生物代谢变化对认识陆地生态系统碳循环—气候反馈具有重要的指导意义[4，8]。截至目前，由于地域等的差异，使得对认识干旱下微生物的变化以及对碳的响应存在很大的争议，阻碍了对陆地生态系统碳循环机理的认识[4，9-10]。另外，土壤微生物对干旱的反应取决于土壤养分条件、土壤温度、土壤水分以及植物生产力等因素[9-11]。因此，干旱的强度和频率对土壤微生物的影响及对土壤动力学的影响在个别研究之间存在很大差异，使研究者对不同干旱强度下土壤碳动力学与土壤微生物之间相互作用的机制缺乏统一的认识。

本研究采用整合分析方法，在全球尺度上，定量分析了不同干旱水平、不同干旱时间以及不同植被类型下土壤微生物群落的变化特征及其与碳的关系，其目的是为了揭示土壤微生物对干旱的反应及其对土壤碳动力学的影响。

1 材料和方法

1.1 数据来源

本研究数据从中国知网和Web of Science数据库，收集筛选了2016年12月份以前发表的研究论文。为减少筛选文献带来的偏差，本研究用下面的关键词和组合词来进行检索：处理是“干旱”或“水分胁迫”或“降雨减少”；指标是“细菌”或“真菌”或“微生物”。在筛选文章的时候，注意以下标准：（1）所有结果均来自野外试验；（2）在收集数据的时候，文章数据源需要包含标准差（SD）和试验重复数（n），如果文献提供的数据是标准误（SE），标准差（SD）可通过以下公式计算。

（3）在搜集文章的时候，文章要有明确的干旱强度、干旱时间以及植被类型描述；（4）如果在同一篇文章中报告了一次以上的干旱试验，但是具有不同的环境变量（例如，在不同的地理位置或微气候条件下进行的干旱处理），则被认为是独立的研究。

1.2 数据采集

根据1.1的标准，本研究总共选择了54篇已经发表的文献。对于每一篇文献，记录了微生物、真菌和细菌生物量。同时，还从选定的论文或引文中记录了研究点的纬度、经度、海拔、年平均降水量（MAP）、年平均温度（MAT）、干旱时间、干旱强度。另外，还记录了有机碳（SOC）和土壤呼吸（SR）。其中，土壤呼吸（SR）为土壤CO2排放量。在数据搜集过程中，如果数据是以图的形式展示，则采用Get-Data Graph Digitizer 2.26软件来获得数据。

1.3 微生物测量

在筛选文章的时候，文章中微生物测定方法主要关注 4种：氯仿熏蒸（CF）、磷脂脂肪酸（PLFA）、平板培养法（Ecoplate），以及定量聚合酶链反应分析（qPCR）。在分析干旱对微生物的影响时，除了上述测定方法的影响，还分析了干旱强度、干旱时间以及植被类型，其中，干旱强度包括轻度干旱（LD）（0～35%）、中度干旱（MD）（36%～70%）和重度干旱（HD）（71%～100%）；干旱时间包括短期干旱（0～30 d），适中干旱（31～365 d），长时间干旱（＞365 d）；植被类型包括乔木林、灌木林、草地以及农田。

1.4 数据分析

整合分析方法用于确定微生物对于各种干旱的效应值（响应比）[6]。响应比计算公式如下。

式中，RR为效应值；Xt和Xc分别是处理和对照的值。这种公式计算的RR的分布通常接近正常值，偏差很小。另外，使用MetaWin软件，得到每一对数据的效应值（RR++），利用数据标准差计算权重加权平均后得到其95%的置信区间（CI），如果RR++的CI与0不重叠，说明在0.05水平上差异显著，否则差异不显著。为了便于理解和描述，本研究采用公式（3）计算得到某一分类组的变化百分数。

2 结果与分析

2.1 干旱对土壤微生物生物量的影响

干旱对微生物的影响结果如图1所示。总体来说，干旱后微生物生物量平均下降1.40%（图1），其中，3种微生物量测量方法所得到的结果中，平板培养法（Ecoplate）的土壤微生物显著提高106.31%，磷脂脂肪酸（PLFA）提高了6.43%，而氯仿熏蒸（CF）方法的微生物下降了9.93%（图1）。另外，轻度干旱使土壤微生物显著增加27.95%；而中度干旱和重度干旱分别下降4.11%和14.68%。干旱导致乔木、草地和农田里的微生物数量减少，分别下降4.88%，5.67%和22.93%。不同干旱时间也对微生物产生差异响应，长时间的干旱对土壤微生物不影响，但较短时间的干旱使土壤微生物显著减少11.94%。

2.2 干旱对土壤细菌的影响

结果表明，细菌丰度显著下降3.92%（图2）。在平板培养法（Ecoplate）、磷脂脂肪酸（PLFA）和qPCR方法测定中，干旱使土壤细菌分别降低1.92%，10.94%和1.06%，其中，平板培养法测量的细菌数量显著降低。在不同干旱强度下，轻度干旱、中度干旱和重度干旱分别使土壤细菌减少0.04%，5.21%和3.85%，其中，中度和重度干旱使细菌显著降低。不同的干旱持续时间对细菌丰度影响分析表明，随着干旱持续时间的增加，土壤细菌均显著减少。

2.3 干旱对土壤真菌的影响

干旱对真菌的影响如图3所示，整体而言，真菌丰度平均下降2.23%。其中，在平板培养法和磷脂脂肪酸（PLFA）以及qPCR方法测定中，只有qPCR方法真菌丰度显著增加3.42%，其他方法真菌丰度均下降。对不同干旱水平而言，轻度干旱和中度干旱都使土壤真菌丰度分别增加0.67%和8.57%，而重度干旱使土壤真菌减少4.99%。同时，土壤真菌丰度在林地和农田中分别下降0.57%，6.08%，而在灌木林和草地中分别增加2.87%，9.04%。此外，较长持续时间的干旱使土壤真菌丰度增加1.69%，短期干旱（0～30 d）使土壤真菌减少1.73%。

2.4 干旱对土壤总微生物的影响

从图4可以看出，在平板培养法（Ecoplats）测量情况下，干旱使土壤总微生物显著增加了67.70%，而通过其他方法测量则减少。在干旱强度响应中，轻度干旱使土壤总微生物量增加了23.96%，而中度干旱和重度干旱使土壤总微生物分别减少3.32%和8.96%。灌木林的响应率高于其他3种土地类型，而所有土地类型中农田的响应率最低。对于干旱持续时间，长期干旱（＞365 d）土壤总微生物增加了24.89%，而低于365 d的干旱，总微生物平均下降了6.02%。

2.5 干旱下土壤微生物与土壤碳的关系

为了进一步探讨干旱下微生物变化与碳的关系，本研究采用拟合分析，研究表明，微生物与土壤碳（R2＝0.053；P＝0.016）和土壤呼吸（R2＝0.382；P＜0.001）呈现出显著正相关（图5）。

3 讨论

3.1 干旱对土壤微生物的影响

通过整合分析，总体上，干旱使微生物生物量、真菌和细菌出现降低的趋势。根据土壤微生物对不同程度干旱强度的反应结果可知，轻度干旱使土壤微生物显著增加27.95%；而中度干旱和重度干旱分别下降4.11%和14.68%。这可能是由于轻微的干旱刺激会加速微生物代谢[12]，而重度干旱的土壤条件抑制微生物的生长，并降低活性微生物组成群落的活性[1，13]。另外，根据研究结果显示，不同植被类型对微生物数量产生影响，其中，除灌木外，在乔木林、草地和农田土壤中，干旱导致的微生物数量分别下降4.88%，5.67%，22.93%。这与BARDGETT等[4-5，14]的研究一致，同时，相关研究结果表明，在植被方面，干旱对土壤微生物的间接影响可以大致分为2个方面[4，14]。一方面是植物生理过程对土壤微生物的影响[5，15]。干旱胁迫影响光合作用的转化，进而限制营养物质从地上到地下的流动，从而导致土壤微生物减少[16]。另一方面干旱导致植物净初级产量（NPP）减少，从而使进入土壤的枯枝落叶碳和氮的量降低，最终导致土壤微生物丰度下降[2，17]。本研究结果也支持了这一说法，在农田中，由于净生产力较低[18]，使干旱诱发导致农田土壤微生物显著降低[19]。另外，长时间的干旱能使土壤微生物增加，但较短时间的干旱使土壤微生物显著减少11.94%。其原因可能是长时间的干旱使微生物对干旱环境适应，从而使其变化不明显。

3.2 干旱下土壤微生物和土壤碳动态的关系

本研究通过对干旱条件下土壤微生物与土壤碳（C）动力学关系进行Meta分析，结果表明，土壤微生物与土壤碳（C）动态之间存在显著的正相关关系，说明干旱可以改变土壤微生物丰度，对土壤呼吸和生态系统C平衡产生相应的影响。而土壤呼吸对全球变化因素的反应已经很明确[4，20-23]，包括气候变暖和CO2升高等因素，都直接或间接与土壤微生物相关[24]。另外，土壤微生物对干旱也有一定的作用，目前关于土壤微生物对干旱的贡献的最广泛的一个讨论是它们在异养呼吸中的作用[4，11]，因为通过干旱改变土壤水分可以直接影响异养微生物的生长[25]，从而影响异养呼吸，所以，不同干旱胁迫下土壤微生物的土壤呼吸和碳发生变化。同时，DAVIDSON等[7]研究发现，干旱处理后溶解有机碳（DOC）增加也支持了这一解释，指出土壤微生物的自养呼吸过程中的干旱诱导能促进有机碳（DOC）的输出[7，25]。此外，土壤微生物中的干旱诱导也可以通过对植物根系摄取和光合作用的营养供应的影响来间接影响土壤碳动力学[26-27]，由于植物根系和根系相关生物（如根瘤菌、菌根真菌和共生体）之间密切联系，干旱诱导可能会影响根系代谢[28-29]，并最终影响土壤自养呼吸[30]和碳积累[4]。因此，在干旱过程中，土壤微生物降低，从而导致土壤碳的变化。

4 结论

本研究结果表明，干旱对微生物的影响受干旱时间、强度以及植被类型的影响，尤其是随着干旱强度的增加，总微生物表现出显著降低的趋势。相关性分析结果表明，在干旱情况下，土壤微生物与土壤碳的动态变化呈现出显著正相关。

［1］ SCHIMELJ，BALSERTC，WALLENSTEINM.Microbial stress-response physiology and its implications for ecosystem function[J].Ecology，2007，88：1386-1394.

［2］NIELSEN U N，BALL B A.Impacts of altered precipitation regimes on soil communities and biogeochemistry in arid and semi-arid ecosystems[J].Global Change Biology，2015，21：1407-1421.

［3］ LI G Y，HAN H Y，DU Y，et al.Effects of warming and increased precipitation on net ecosystem productivity：A long-term manipulative experiment in a semiarid grassland[J].Agricultural and Forest Meteorology，2017，232：359-366.

［4］ BARDGETT R D，FREEMAN C，OSTLE N J.Microbial contributions to climate change through carbon cycle feedbacks[J].Isme Journal，2008，2：805-814.

［5］WU Z，DIJKSTRA P，KOCH G W，et al.Responses of terrestrial ecosystems to temperature and precipitation change：a meta-analysis of experimental manipulation[J].Global Change Biology，2011，17：927-942.

［6］CHENJ，LUOY，LI J，et al.Costimulation ofsoil glycosidase activity and soil respiration bynitrogen addition[J].Global Change Biology，2017，23：1328-1337.

［7］ DAVIDSON E A，JANSSENS I A.Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change[J].Nature，2006，440：165-173.

［8］SINGH B K，BARDGETT R D，SMITH P，et al.Microorganisms and climate change：terrestrial feedbacks and mitigation options[J].Nature Reviews Microbiology，2010，8：779-790.

［9］ MANZONI S，SCHIMEL J P，PORPORATO A.Responses of soil microbial communities to water stress:results from a meta-analysis[J].Ecology，2012，93：930-938.

［10］ZHOU J，XUE K，XIE J，et al.Microbial mediation of carbon-cycle feedbacks to climate warming[J].Nature Clim Change，2012，2：106-110.

［11］RUEHR N K，OFFERMANN C A，GESSLER A，et al.Drought effects on allocation of recent carbon：from beech leaves to soil CO2efflux[J].NewPhytologist，2009，184：950-961.

［12］EVANS S E，WALLENSTEIN MD.Climate change alters ecological strategies of soil bacteria [J].Ecology Letters，2014，17：155-164.

［13］ SHEIK C S，BEASLEY W H，ELSHAHED M S，et al.Effect of warmingand drought on grassland microbial communities[J].Isme Journal，2011，5：1692-1700.

［14］SCHRAMAM，BARDGETTR D.Grassland invasibilityvaries with drought effects on soil functioning [J].Journal of Ecology，2016，104：1250-1258.

［15］OGAYA R，PENUELAS J.Tree growth，mortality，and aboveground biomass accumulation in a holmoak forest under a five-year experimental field drought[J].Plant Ecology，2007，189：291-299.

［16］ ROUSK J，SMITH A R，JONES D L.Investigating the long-term legacy of drought and warming on the soil microbial community across five European shrubland ecosystems[J].Global Change Biology，2013，19：3872-3884.

［17］ BEIER C，BEIERKUHNLEIN C，WOHLGEMUTH T，et al.Precipitation manipulation experiments-challenges and recommendations for the future[J].EcologyLetters，2012，15：899-911.

［18］汤桂容，周旋，田昌，等.有机无机氮肥配施对典型菜地土壤微生物和酶活性的影响[J].华北农学报，2017，32（4）：129-136.

［19］张慧芋，孙敏，高志强，等.耕作对旱地小麦根系生长及土壤水分利用的影响[J].山西农业科学，2017，45（12）：1951-1956.

［20］ EISENHAUER N，CESARZ S，KOLLER R，et al.Global change belowground：impactsofelevated CO2，nitrogen，and summer drought on soil food webs and biodiversity[J].Global Change Biology，2012，18：435-447.

［21］荆雪锴，严俊霞，李洪建.不同土地利用下的土壤呼吸及其与环境因子的关系[J].山西农业科学，2016，44（8）：1151-1157.

［22］SCHINDLBACHER A，WUNDERLICH S，BORKEN W，et al.Soil respiration under climate change：prolonged summer drought offsets soil warming effects [J].Global Change Biology，2012，18：2270-2279.

［23］ ZHOU L Y，ZHOU X H，SHAO J J，et al.Interactive effects of global change factors on soil respiration and its components：a meta-analysis[J].Global Change Biology，2016，22：3157-3169.

［24］LIU Y C，LIU S R，WAN S Q.Differential responses of soil respiration to soil warming and experimental throughfall reduction in a transitional oak forest in central China[J].Agricultural and Forest Meteorology，2016，226：186-198.

［25］HEIMANN M，REICHSTEIN M.Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks[J].Nature，2008，451：289-292.

［26］HOGBERGP，READDJ.Towards a more plant physiological perspective on soil ecology [J].Trends in Ecology&Evolution，2006，21：548-554.

［27］VANDER HEIJDENMG A，BARDGETT R D，VAN STRAALEN NM.The unseen majority:soil microbes as drivers ofplant diversity and productivity in terrestrial ecosystems[J].Ecology Letters，2008，11：296-310.

［28］ BARDGETT R D，BOWMAN W D，KAUFMANN R.A temporal approach to linking aboveground and belowground ecology[J].Trends in Ecology&Evolution，2005，20：634-641.

［29］VAN DER PUTTEN W H，BARDGETT R D，DE RUITER P C，et al.Empirical and theoretical challenges in aboveground-belowground ecology[J].Oecologia，2009，161：1-14.

［30］ZHOU L Y，ZHOU X H，ZHANG B C，et al.Different responses of soil respiration and its components to nitrogen addition among biomes:a meta-analysis[J].Global Change Biology，2014，20：2332-2343.