土壤剖面微生物群落分布规律研究进展

刘株秀，刘俊杰，胡晓婧，金剑，王光华

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081; 2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土壤被认为是地球的皮肤，它的形成是一个非常缓慢和复杂的过程，涉及到非生物因素(如气候、母质、地形和时间)和生物因素(植物、微生物和动物)的一系列相互作用，从而形成了层次分明的土壤剖面[1-2]。其中，生物因子，尤其是微生物被认为是促进土壤形成的最活跃因子。例如，在缺乏植物定植的初始土壤中，先驱微生物通过加速原生矿物中还原态金属离子的氧化，以及产酸的代谢作用来驱动矿物风化反应，从而帮助高等植物获得营养而定植生长[3-4]。此外，土壤微生物是土壤有机质转化以及土壤元素化学循环的引擎，在土壤形成及发育、调节土壤生态系统功能等方面起到重要的作用[5-6]。因此，阐明土壤微生物剖面空间分布规律及其驱动因素，对于探索自然生命形成机制、维持生态系统服务功能及促进土壤可持续利用具有重要意义。

解读土壤微生物的生物地理分布格局一直是生态学家关注的热点。土壤剖面深度被视为是土壤性质的生态过滤器，沿着剖面形成了高度异质性的梯度环境，影响着土壤微生物群落的多样性、组成和功能[7]。研究发现，单一土壤剖面内垂直距离仅10～20 cm间隔的微生物群落间的差异相当于水平距离数千公里的群落变化[8-9]，这充分说明了针对土壤剖面微生物分布格局研究的重要意义。虽然微生物生物量经常随着土壤深度的增加而急剧下降，但土壤微生物对元素生物地球化学过程的影响仍然存在于整个土壤剖面中[10-11]。由于深层土壤较表层土壤的微生物更接近母质，它们对土壤形成的影响应该更强[12]，而目前对底层土壤微生物的群落结构及功能研究仍滞后于表层土壤。此外，深层土壤储存了大量的有机碳，且周转时间长，因此深层土壤微生物对土壤长期碳固存的作用不容忽视[9]。

研究土壤微生物群落垂直分布的方法主要有两种。一种主流的方法是沿着土壤剖面间隔一定深度采集土壤样品[7,13-14]。该方法由于不需要挖掘土壤剖面，利用土钻即可采集样本，取样相对简单，所得结果便于跨地域对不同地点土壤微生物群落的垂直分布进行比较分析，因此被多数研究者采用。基于此采样方法，利用DNA指纹图谱[15]、变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)[16]、磷脂脂肪酸(PLFA)[17]、荧光定量PCR(qPCR)[18-19]和高通量测序[8,20]等技术对土壤剖面微生物进行分析发现，底层土壤微生物的数量、多样性指数及群落结构组成与表层土壤相比均发生了显著变化。然而，该取样方法缺乏建立土壤微生物组成与土壤形成之间的关联分析，也具有不足之处[21]。另一种方法是基于土壤剖面诊断层特征采集土壤样品[22]。此方法便于评估土壤微生物与土壤形成之间的关系。应用这种方法的前提条件是要对采样地土壤剖面特征有深入的了解，同时，此方法不方便进行跨空间尺度的土壤微生物群落的比较研究。因此，只有少数研究者采用这种方法来调查土壤剖面微生物的分布模式[21-23]。例如，最近俄罗斯道库恰耶夫土壤研究所的Semenov等[22]基于诊断层采集土壤样品，比较了不同土地利用方式下(森林、撂荒和农田)的土壤剖面原核生物群落，发现土壤诊断层之间的微生物群落结构差异比土地利用方式之间的差异更明显，A层和B层土壤微生物形成独立的群落，而AB层落在两者之间，表明土壤微生物群落具有诊断层特异性。

鉴于此，本文综述了微生物丰度、多样性和群落组成在土壤剖面中的变化规律及其驱动因子的研究进展，以期阐明微生物参与土壤有机质形成的内在机制，为垂直空间分布格局下微生物多样性的保护和土壤生态系统稳定性研究提供理论依据。

1 土壤剖面微生物丰度变化

通常而言，表层土壤通气状况好，土壤有机碳及各种养分含量高于底层土壤，土壤剖面微生物数量总体呈现出随深度增加而降低的趋势。van Leeuwen等[24]基于森林、草地和农田生态系统的土壤剖面微生物量的研究发现，土壤微生物生物量和活性在0～80 cm内随土壤深度的增加而降低3～4倍。然而，不同微生物类群随着土壤深度的变化趋势存在一定的差异(表1)。基于PLFA技术研究结果表明，旱地土壤中革兰氏阳性细菌(G+)在底层土壤中丰度较高，而革兰氏阴性细菌(G-)、真菌和原生动物在表层土壤中(0～20 cm)数量达到最高值[17]。利用此标记技术，Li等[25]在水稻田中研究也发现，在深层土壤(20～100 cm)中革兰氏阳性细菌(G+)数量显著高于革兰氏阴性细菌(G-)，碳源利用率随土壤深度的增加而降低是导致这种差异分布的主要因素。然而，Liu等[26]基于森林土壤的研究表明，革兰氏阳性细菌(G+)的数量在表层土壤中最高，并随着土壤深度的增加而呈现降低趋势。利用qPCR技术研究发现，底层土壤细菌和真菌的数量均较表层土壤下降了1～2个数量级[27]。但不同生态系统中真菌数量下降的程度都显著大于细菌，真菌群落较细菌群落对土壤深度响应强烈的主要原因是真菌群落对营养水平和碳氮比(C/N)的敏感性高导致的[27-28]。此外，也有研究表明，土壤细菌丰度随着土壤深度的增加并未表现出明显差异或呈现出单峰变化趋势[22,29]。目前有关土壤剖面古菌数量分布的研究结果也存在争议，Yuan等[19]和Ivanova等[21]基于稻田和森林土壤的研究发现，深层土壤(>60 cm)的古菌丰度明显低于表层土壤(0～20 cm)，而沈菊培等[30]对祁阳红壤和封丘潮土两个农田土壤剖面古菌qPCR检测发现，古菌丰度在不同土层间变化不大。此外，Liang等[31]研究发现，深层土壤(60～140 cm)的病毒丰度比地表土壤(0～20 cm)减少了约3个数量级，并且土壤中的病毒丰度与细菌丰度显著相关。针对功能菌的标记基因丰度研究发现，随着土壤深度的增加，氨氧化细菌(amoA-AOB)、固氮菌(nifH)和反硝化菌(nosZ、nirS和nirK)的丰度显著减少，而几丁质降解菌(chiA)的丰度则呈升高趋势[19,32-33]。然而，对于氨氧化古菌(amoA-AOA)，有研究发现其丰度随着土壤深度的增加而增加[33]，因为AOA更适应深层土壤中的高pH环境。与此相反，Fischer等[32]研究表明土壤中AOA的丰度随着土壤深度的增加而明显降低。可见不同学者对细菌和古菌丰度沿土壤深度变化的研究结果存在差异，这可能与土壤类型、土地利用方式和采样时间的差异有关(表1)。

表1 土壤微生物丰度随着土壤深度的变化情况

2 土壤剖面微生物多样性变化

基于PLFA和qPCR等技术，虽然揭示了微生物数量随土壤深度的变化特征，但不能从微生物群落分类和系统进化水平进行分析，导致我们对土壤剖面微生物多样性和群落组成的认知尚不明晰[18]。而采用高通量测序技术可以对多个土壤剖面的微生物多样性及结构组成进行研究。总体而言，随着土壤深度的增加，土壤细菌和真菌的alpha多样性呈显著降低的趋势[13,34-35]，而土壤古菌多样性呈明显增加的趋势[35-36]。土壤剖面微生物多样性的变化主要与土壤理化指标变化关系密切，大量研究表明土壤养分含量与土壤细菌和真菌多样性呈显著正相关关系[18,22]，而大多数古菌能有效利用土壤中的有限养分，对深层土壤的低养分环境有较强的适应能力[37-38]。虽然剖面微生物多样性存在一定的规律性变化，但也有一些例外的研究结果。如Semenov等[22]对森林、撂荒和农田黑土剖面微生物研究发现，森林和撂荒土壤细菌和古菌的alpha多样性在深度20～60 cm的亚表层最低，而农田土壤中在深度30～40 cm的犁底层多样性最低。Chernov等[23]对比研究了碱土和草原栗钙土深达150 cm的细菌群落结构，发现细菌alpha多样性在碱土中随深度增加而下降，而在栗钙土上变化不明显。表2汇总了一些微生物群落alpha多样性随土壤深度的变化情况，由表可知，不同研究者得到的结果不尽相同，可见微生物多样性随土壤剖面变化是因土壤类型和土地利用方式而异的。

表2 土壤微生物多样性随着土壤深度的变化情况

3 土壤剖面微生物群落组成变化

高通量测序研究结果发现，土壤剖面微生物群落组成在不同土壤深度下分异显著[13]。富营养菌如放线菌门(Actinobacteria)、β-变形菌门(Beta-Proteobacteria)和接合菌门(Zygomycota)通常在营养丰富的表层土壤中相对丰度较高，而寡营养菌如酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)以及厌氧菌广古菌门(Euryarchaeota)则在营养贫瘠和缺氧的底层土壤中相对富集[18,40-41]。然而，土壤剖面微生物分布也有一些特殊的现象，如Liu等[42]报道了我国黄土高原石灰性潮土上油松(Pinustabulaeformis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)林地深达20 m的细菌群落组成分布情况，他们发现α-变形菌门(Alpha-Proteobacteria)的相对丰度在两种林地深度分别为20 m和14 m时最高，与此相反，酸杆菌门相对丰度在表层土壤中高于底层土壤。Hao等[13]也发现在美国黑土农田中变形菌门相对丰度随土壤深度的增加而增加，在深度120～180 cm时其相对丰度高达75%，而由于深层土壤pH的升高，更偏好酸性土壤环境的酸杆菌门在表层(0～60 cm)土壤中相对丰度显著高于底层土壤(60～180 cm)。此外，疣微菌门(Verrucomicrobia)是广泛存在于各种生境中的一类细菌。通常疣微菌被认为是寡营养菌[43-44]，但该菌门的相对丰度在剖面中分布却并未呈现出随土层深度增加而增加的趋势，多数研究发现疣微菌门的相对丰度在亚表层土壤中最高，且随土壤深度的增加呈现出单峰变化的趋势[9,13,45]，也有研究发现疣微菌的相对丰度随深度的增加而下降[18,22]。Feng等[41]基于森林土壤研究发现，尽管放线菌门属于富营养菌，但它的相对丰度随着土壤深度的增加而显著升高。这是由于放线菌具有降解多种惰性碳源的能力，因此与其他微生物相比，放线菌在活性碳含量明显减少的深层土壤中具有更强的竞争优势[46]。这些研究结果与传统认知的变形菌门和放线菌门是富营养菌，而酸杆菌门和疣微菌门是寡营养菌观点相反。最近，Hao等[13]针对美国爱荷华州种植玉米和大豆的黑土农田剖面细菌研究发现，一些细菌门类，如放线菌门、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度随土壤深度增加呈现先增加后降低的单峰变化现象。然而，Young等[47]基于阿尔卑斯山脉的土壤剖面研究发现，土壤中最丰富的微生物类群(如放线菌门和变形菌门)的相对丰度在土层之间没有显著变化。上述研究结果的差异可能是由于不同土壤类型和不同生态系统中微生物群落变化特征对土壤深度的响应不一致所致[9,22]，也可能与同门细菌中不同细菌成员间存在生理分化和生态位分异有关。这表明土壤剖面微生物群落演替的机制是十分复杂的，因此，需要深入研究以揭示不同生态系统中微生物群落变化特征对土壤深度的响应机制。

4 土壤微生物群落结构及其驱动因素随着土壤剖面的变化

基于退耕还林地的土壤微生物群落研究发现，随着土壤深度的增加，土壤细菌、真菌和古菌群落结构均发生明显的变化[35]。针对水稻田的一项研究也发现，古菌和细菌群落结构随土壤深度发生显著变化[48]。有研究发现土壤深度而不是土壤本身性质和土地利用方式是制约微生物群落分布的主要因素[10]。然而，Yuan 等[19]和Tripathi等[29]研究认为，土壤深度对水稻土古菌、细菌和真菌群落的影响有限，土壤理化性质差异是驱动土壤微生物群落变化的主要影响因子。在土壤形成发育过程中剖面性状发生明显的变化，有研究发现土壤砂粒含量随着土壤深度增加而增加，而粉粒和黏粒含量则呈现相反的变化趋势[16]。此外，随着土壤深度的增加，土壤中动物残体以及植物凋落物的数量不断减少，导致土壤有机碳、全氮和全磷含量呈明显降低的趋势[10]。同时，作为一个重要的土壤因子，多数研究发现土壤 pH随土壤深度的增加而明显升高[20,49]。因此显然可以推测，土壤理化性状在短距离内相对剧烈的变化势必对土壤微生物群落结构产生重要影响[8-9]。例如，Bai等[40]和Fierer等[17]研究结果显示，土壤pH和有机碳含量是驱动微生物随土层变化的最主要因素。Watanabe等[50]也报道，在两个排水良好的稻田中，土壤古菌和细菌的群落结构在不同土层之间都存在差异，而在淹水的稻田中，不同土层之间仅古菌群落结构存在显著差异，细菌群落结构没有明显变化。针对我国东北松嫩平原大安苏打盐碱地试验站的重度、中度和无盐碱的草地剖面研究发现，无盐碱土壤与盐碱土壤细菌群落结构差异显著，无盐碱土壤分层效应表现不明显，而重度和中度盐碱化土壤分层效应表现显著，说明垂直短距离内盐碱度变化是驱动大安苏打盐碱地剖面微生物结构变化的主要因子[20]。此外，Li等[51-52]基于海伦、常熟和鹰潭三地水稻田土壤剖面研究发现，在单个地点内，土壤全碳和全氮含量随土壤深度的变化是驱动细菌群落发生演替的最主要因子。然而，在大尺度上地理距离对真菌(0～100 cm)和深层土壤细菌(20～100 cm)群落分布的影响要大于土壤环境因子。由此可见，土壤剖面微生物群落变化的主要驱动因素是因研究尺度、植被类型和土壤的异质性而异的。

5 土壤剖面微生物共现模式变化

在复杂的生态系统中，物种间的相互作用(共生、竞争和捕食等)对于生态系统的影响比物种丰度和多样性更为重要[53-54]。基于草地的土壤微生物网络分析结果表明，表层土壤微生物比深层土壤微生物之间的联系更密切、相互作用更强[39,55]。这一方面归因于表层土壤养分资源丰富，减少了微生物群落内部的特异性竞争[56]，使得不同的微生物类群可以长期共存并广泛建立联系，从而最大限度地利用了表层土壤资源[7,10]；另一方面也与生活在深层土壤的微生物数量少、迁移率低，导致相互之间接触产生联系的机会少，从而形成相对更小、更简单且分散的网络结构有关[55]。然而，有研究认为由于底层土壤营养物质有限，为了更加高效的利用底层土壤中有限的养分资源或者抵抗底层土壤中的环境胁迫，底层土壤微生物之间彼此合作更加密切[57-58]。例如，焦克等[34]基于森林生态系统的共现网络分析结果表明，底层土壤细菌和真菌网络的平均连接度和平均聚类系数均高于表层土壤，说明微生物相互作用随土壤深度的增加而增强。同时，相比于表层土壤，底层土壤细菌和真菌网络中的正连接比例有所增加[14,34]。此外，基于农田生态系统的研究也表明，微生物网络拓扑参数，如连通度、群聚系数和网络密度等均随深度增加而明显增加[59]。然而不同的是，黄兰婷等[59]发现土壤细菌和真菌网络中正连接比例随深度的增加而减少，意味着底层土壤环境导致微生物之间存在着激烈的竞争。

6 土壤剖面微生物群落装配过程变化

微生物群落装配同时受到随机性过程(扩散限制和同质性扩散过程)和确定性过程(异质性选择和同质性选择过程)的影响，探究各个生态过程对微生物群落装配的相对贡献能有效解释微生物群落构建机制[60-61]。Tripathi等[29]研究发现，美国阿拉斯加冻土带的森林和苔原土壤0～90 cm深的土壤剖面细菌群落装配主要受到确定性过程的影响。然而，Xu等[20]对我国东北盐碱地的裸地和草地土壤剖面研究发现，确定性过程仅主导了0～60 cm深度的土壤微生物群落装配，而底层土壤(80～100 cm)的细菌群落装配则主要受到随机性过程的影响。作者分析是由于底层土壤中微生物群落的迁移受到限制，从而导致扩散限制过程对底层土壤细菌群落装配的相对贡献明显增加所致[20]。与之相反，Wu等[62]基于我国红壤农田的研究表明，浅层土壤(0～90 cm)的细菌群落装配以随机性过程为主，而由于深层土壤提供相对稳定的环境，因此确定性过程(同质性选择过程)主导了深层土壤(>90 cm)的细菌群落装配。Luan等[14]对我国红壤农田剖面的研究也发现，在0～80 cm深的土壤剖面内细菌群落装配以随机性过程为主，而对于更深层次的土壤微生物群落装配过程其研究并未涉及。以上这些研究结果的差异或许说明随机性和确定性过程在土壤剖面微生物群落装配过程中的相对贡献会受到土壤类型和土地利用方式的影响。目前，涉及土壤剖面微生物群落装配过程的研究较少，对于随机性和确定性过程对土壤微生物群落垂直空间变异的相对贡献仍存在很大的争议，因此亟待深入研究以揭示不同生态系统中微生物群落构建过程对土壤深度的响应机制。

7 结论和展望

综上所述，土壤理化性质、酶活性和微生物群落均沿着土壤剖面发生重大变化。随着土壤深度的增加，土壤养分状况和酶活性普遍呈降低趋势，而土壤pH则明显升高。关于土壤剖面微生物分布格局及其装配过程的研究，虽取得了一定的进展，但由于土壤环境错综复杂，土壤微生物群落变化特征对土壤深度的响应机制因研究样本表现不一致。此外，目前关于土壤剖面微生物的研究多是基于固定土壤深度梯度的比较工作，其很难与土壤形成的本质属性，即诊断层特征建立联系。同时，微生物群落组成沿着土壤剖面的变化势必会导致生态系统服务功能的改变，从而影响生物地球化学循环[7]。然而目前针对深层土壤微生物驱动的生物地球化学过程的研究仍处于初始阶段，相关研究正面临着机遇和挑战并存的现状。因此，鉴于新组学技术的快速发展及其在土壤微生物生态功能的研究中发挥了越来越重要的作用，亟待应用新组学技术对深层土壤功能微生物组开展广泛深入的研究，以为调控深层土壤微生物驱动的生物地球化学过程和解析其分子生态学机制提供理论依据。此外，明确土壤微生物群落装配过程中随机性和确定性过程的相对贡献对于理解土壤剖面微生物群落与生态系统功能之间的关系，以及破译微生物群落对环境变化的响应和反馈机制至关重要[14,63]。然而，目前仅有少量研究涉及到土壤剖面微生物群落装配过程，并且其往往集中在细菌群落上，而较少涉及其他微生物类群。鉴于此，未来针对土壤剖面微生物的研究应注重以下几个方面：(1)应用宏基因组、转录组和代谢组学等新技术，深入挖掘土壤功能微生物组，以解析土壤深度具体影响了哪些微生物类群，这些类群又具有什么生态功能以及它是如何诱导微生物群落发生变化的；(2)加强微生物种类和功能鉴定，提供更加丰富的微生物菌种资源；同时，改进微生物培养策略，并利用纯培养个体进行种间及种内相互作用研究，以验证分子生态网络分析中鉴别出的关键微生物的相互作用关系；(3)增加按土壤诊断层采集样品的研究，以解析土壤剖面微生物与土壤形成的内在关系；(4)深化对不同土壤类型、不同土地利用方式下土壤剖面微生物群落分布格局的比较研究，以解析其丰度、多样性和群落组成变化对土壤深度的响应机制；(5)加强土壤剖面微生物群落装配过程的研究，尤其是针对目前仍处于空白的古菌、真菌及功能菌群落，从而对垂直分布格局下的生态系统稳定性研究提供科学依据。基于此，在以后的研究中建议利用多组学技术联合分析土壤剖面微生物的空间分布格局及其与生态功能和诊断层特征之间的潜在联系，进一步揭示土壤形成的深层机制，从而实现土壤资源的可持续利用。