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1、全球变暖和氮沉降增加对森林土壤微生物的影响1 国内外的研究进展1.1 全球变暖的现状与趋势全球气候变化是指由于自然和人为因素所造成的全球性环境变化，包括全球变暖、CO2等温室气体浓度升高、氮沉降增加、雾霾和空气污染、森林锐减、外来物种入侵、干旱化荒漠化等多个方面，实质上是以上某几个方面或所有方面相互作用产生的效应（杨建琴，2011）。其中，全球变暖和氮沉降是全球气候变化的两个主要特征，它们给人类经济社会和生态系统带来一系列问题，已成为世界各国科学家、各人民及政府研究和关注的热点（张乃莉等，2007）。IPCC（Inter government Panel on Climate Change，政
2、府间气候变化委员会）的多次报告均证明了全球变暖这一客观事实，并认为人类活动可能是过去百年全球变暖的主要原因。其中IPCC 2013评估报告指出，几乎可以确定到本世纪末陆地会继续变暖，冷昼和冷夜会更少，而热昼和热夜会更多；过去50年，温室气体升高所造成的温室效应使得全球气温已经升高了0.51.3度，而多个气候模型预测到21世纪末全球平均地表温度将继续升高1.84.0。全球变暖已经不仅是科学研究的热点，更是人类生存和社会发展所面临的长期而严峻的挑战。当前我国面临节能减排、增加碳汇的发展现状，所以在我国开展气候变暖对森林生态系统的研究，了解其对全球变暖的响应及反馈状况显得十分重要，而相对于森林土壤和
3、森林响应的滞后性，土壤微生物能够更加迅速而且敏感的响应气候变暖的变化，所以研究森林土壤微生物更是了解森林生态系统响应全球变化的先导和重中之重。1.2 大气氮沉降的现状与趋势大气氮沉降包括干、湿沉降两种方式。气态含氮化合物NO、N2O、NH3以及吸附在其他粒子上的(NH4)2SO4粒子主要以干沉降方式返回地表；而NH4+和 NO3-及少量的可溶性有机氮主通过降水等湿沉降方式返回地表。大气氮沉降绝大部分是以湿沉降进行的（任伟欣，2014）。由于人类活动的干扰，尤其是农业肥料和化石燃料的大量使用，过去一个世纪陆地生态系统土壤氮素已经达到先前的两倍，大大增加了氮素的循环速率，使氮素循环失去原有的平衡（
4、Galloway et al., 2003），而且这种趋势到目前为止仍未有消退的迹象。全球范围内，由于人类活动干扰所造成的氮沉降主要集中在北美、欧洲、东亚（主要是中国）等经济比较推荐精选发达的地区（梁百艳，2013）。例如中欧森林大气氮输入量达到2560 kg hm-2 a-1，远远超过其森林氮饱和的临界负荷最小值10 kg hm-2 a-1。我国亚热带地区同样存在高氮沉降的现象，例如广东鼎湖山自然保护区内，降水中的氮含量已经与欧洲高氮沉降量地区的氮含量十分接近(李德军等，2003)。大气氮沉降不仅对森林生态系统造成严重影响，还会导致一系列空气污染问题的发生。近年来，我国中东部地区出现了严重的
5、雾霾天气，空气质量、人类健康、工作交通等都受到严重影响，而雾霾的主要成分之一就是氮氧化物。随着我国经济的进一步发展，工业和农业生产水平的进一步提高，氮沉降量很有可能继续上升。当前，我国已是继欧洲、北美之后的全球第三大氮沉降集中区，氮沉降的现状和未来的发展趋势已经引起国际社会及我国科学界的的高度关注。因此，在我国开展氮沉降对森林、草原等生态系统研究具有重要意义。2 国内外的研究进展土壤微生物对外界环境的微小变化的响应十分敏感，是森林生态系统中参与物质循环和能量流动的重要组成部分。目前，有关模拟增温和氮沉降实验对土壤微生物影响的研究主要集中在土壤微生物量、土壤微生物功能多样性（酶活性和碳源利用效率
6、等）、土壤微生物物种多样性和土壤微生物群落结构等方面。2.1 增温和氮沉降对土壤微生物量的影响土壤微生物生物量（简称土壤微生物量），是指土壤中体积小于5×103 m3 的微生物总量，是土壤有机质中不包括植物体的活性部分，土壤微生物量主要包括微生物碳、微生物氮、微生物磷（卫云燕等，2009）。土壤微生物量及其活性不仅代表参与土壤有机质转化和养分循环的微生物数量，而且也能够反映出养分循环的速率(吴晓芙，2002; Rosa et al., 2009)。目前，有关气候变暖对土壤微生物量的影响还没有统一的结论。一般认为温度升高可以促进有机碳矿化，增加碳的有效性，提高微生物的呼吸速率，使微生物
7、活性增强、生长加快，从而促进微生物量碳、氮积累（张乃莉等，2007）。与增温相同，有关氮沉降对土壤微生物量的影响研究结果也具有很大的不确定性。Love ll等(1996)发现10周的短期施氮提高了英国黑麦草草地的土壤微生物量；而Bradley等(1999)的研究则表明2个月的短期施氮降低了美国Minnesota州高原草地的土壤微生物量，王晔青等(2007)长期的施氮实验发现棕壤中土壤微生物量磷下降。现在许多学者比较一致的看法是长期（15年以上）施氮会减少土壤微生物量(Frey et al.,2004)，主要原因是长期施氮会造成土壤酸化，破坏土壤结构，影响微生物的生推荐精选存空间从而降低微生物的
8、活性，导致土壤微生物生物量积累减少（于树，2008）。土壤微生物包括不同的类群，不同类群对施氮的响应不同，施氮浓度的差异也会导致不同微生物的变化。2.2 增温和氮沉降对土壤酶活性的影响土壤酶是土壤中物质循环和能量流动不可替代的参与者，是土壤微生态系统中最活跃的组分之一。与C、N、P循环相关的土壤酶能够很好地反映土壤的养分循环状况，并且对土壤环境的微小变化响应敏感。温度升高不仅可以影响土壤酶的反应速率直接影响土壤酶活性(Kang et al., 2005；林娜等，2010)，也可通过影响土壤的水热条件、土壤微生物量、土壤有机物的矿化率、根际土壤环境等间接影响土壤酶的活性(Tscherko et
9、al., 2001；吴秀臣等，2007)。事实上，不同环境条件下不同类型的土壤酶活性对温度升高的响应存在差异（潘新丽等，2008；卫云燕等，2009）。关于氮沉降对酶活性影响的研究众多，氮沉降往往可以形成土壤的酸化，改变土壤微环境，影响微生物合成许多重要的酶(Deforest et al., 2004)。然而并不是所有生态系统土壤微生物都会具有相同的效应，大气氮沉降对微生物活动的影响具有生态系统特异性（Mark et al., 2004)。2.3 增温和氮沉降对土壤微生物群落结构的影响土壤微生物群落结构是调控土壤许多生态学过程的重要因素和衡量土壤质量的重要指标，也是研究和预测陆地生态系统对全球
10、变化响应的重要对象。相比于土壤微生物其它特性，微生物群落结构对温度的响应更敏感(Papatheodorou et al., 2004b)。增温对微生物群落结构的影响在不同地区存在差异。Rinnan等(2007)研究发现增温能够减少真菌的生物量，而刺激细菌群落的增长。而张卫健等(2004)的研究表明增温下细菌群落结构没有显著变化，但是增温显著提高了土壤中真菌的活性，增加了其丰富度，从而增强了土壤微生物对土壤有机碳的利用效率。此外，也有部分学者认为增加温度并不能对群落结构产生影响。例如Schindlbacher等(2011)发现增温没有对微生物群落的丰富度产生影响。相比于增温，长期氮沉降通过引起真
11、菌与细菌的比率、菌根真菌多样性和微生物代谢过程等的改变，深刻影响着生态系统中土壤微生物的群落组成和功能(Frey et al., 2004)。有的学者研究发现施加氮肥可以促进细菌数量的增加，但是对施氮是否会影响真菌数量的改变存在差异（Bradley et al., 2006）。另外，不同生态系统中氮沉降对土壤细菌群落多样性的影响是存在差异的(Sarathchandra et al., 2001)。由于植物-土壤-微生物之间复杂的关联性和生态系统的异质性，增温对土壤微生物活推荐精选性和群落结构的影响也还有待进一步研究。2.4 土壤微生物研究方法的发展随着人们对土壤微生物的研究逐渐深入，一些比较传
12、统的微生物测量技术已经不能满足科研工作者的需要。因此，一批高新科技的研究技术也逐渐应用到土壤微生物的研究中。其中生物标记法（PLFA法等）、生理学方法Biolog、分子生物学方法（DGGE、qPCR、GeneChip、基因文库等）和高通量测序技术得到快速发展并取得一定成效。磷脂脂肪酸技术（PLFAs法）。磷脂几乎是所有微生物细胞膜的重要组成成分，含量在自然生理条件下相对稳定，约占细胞干质量的5%，只存在于活体细胞膜中，一旦生物细胞死亡，磷脂类化合物会迅速降解（Robie et al.,2015）。由于不同种类微生物体内含有的磷脂脂肪酸（PLFA）的组成及含量差异显著，一些脂肪酸几乎只存在于某类
13、微生物的细胞膜中。如i14:0，i15:0，a15:0，i16:0，i17:0，a17:0 等表征革兰氏阳性菌（G+）; 16:15c，16:17t， 16:19c，18:15c，18:17c，cy17:0，cy19:0等可指示革兰氏阴性菌（G-）。而且PLFAs周转速率极快且随细胞死亡而迅速降解，脂肪酸结构与种类多样，对环境因素敏感，分析结果重复性较好。所以，PLFA 可以作为微生物生物量和群落结构变化的特征微生物标记物。在微生物定量及活力测定方面，PLFAs与MBC、底物诱导呼吸(SIR)及ATP等测定方法所得结果十分吻合。相比于传统的微生物培养和显微镜观察，需要在选择性培养基上进行培养，
14、分离菌株，再进行生理分析。PLFA法的优点是不必把微生物的细胞从样品中分离出来，克服了由微生物选择引起的微生物生长状况不同。PLFA方法能够快速、直接、有效的提取活细胞膜，然后依靠脂肪酸谱图定量描述整个微生物群落，分析土壤微生物群落结构的变化，其技术国内外研究均利用十分广泛，研究成果显著。（王卫霞等，2013；Xiong et al., 2016）。Biolog方法的测定原理： 微生物在利用碳源过程中产生的自由电子， 与四唑盐染料发生还原显色反应， 颜色的深浅可以反映微生物对碳源的利用程度。 由于微生物对不同碳源的利用能力很大程度上取决于微生物的种类和固有性质， 因此在一块微平板上同时测定微生
15、物对不同单一碳源的利用能力， 就可以鉴定纯种微生物或比较分析不同的微生物群落。但是由于所测的菌类仅限于可培养的类型，所以并不能么完整表征整体微生物群落的变化。 实时荧光定量 PCR ( real-time fluorogenetic quantitative PCR , FQ-PCR) 是在PCR定性技术基础上发展起来的核酸定量技术。它是一种在PCR反应体系中加入荧光基团, 利用荧光信号积累实时监测整个推荐精选PCR进程, 最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。 该技术不仅实现了对DNA模板的定量, 而且具有灵敏度高、 特异性和可靠性更强、能实现多重反应、自动化程度高、无污染性、具实性
16、和准确性等特点，目前已广泛应用于分子生物学研究和医学研究等领域（Mikael et al., 2006）。作为最重要的分子生物学分析方法之一，DNA 测序可以为遗传信息的揭示和基因表达调控等基础生物学研究提供重要数据。而高通量测序技术（又称为下一代测序技术）被认为是传统测序技术的一次革命。一次可对几十万条到几百万条的DNA分子进行序列测定，是现在国际上最先进最前沿的测量土壤微生物物种多样性、群落多样性、遗传多样性和功能多样性的方法之一，能够更详细、更准确的认识土壤微生物群落的结构动力学以及它遗传信息，亦能讨论不同气候变化条件下基因差异性及不同物种间的序列差异和对气候变化的反馈情况（De Ang
17、elis et al., 2015），因此，应用高通量测序技术分析微生物群落结构的改变将是以后研究的趋势（李桥，2011）。3研究目的及意义 我国湿润亚热带是全球同纬度带少有的“绿洲”，分布着世界上面积最大、最典型的常绿阔叶林，是全球亚热带生物多样性的中心，有旺盛的能量转化和物质循环，有极强的生态功能与生态效应(林娜等，2010)。该区森林生产力高、面积广大，贡献了我国森林碳汇能力的65%（Piao et al., 2009），亦是全球重要的森林碳汇区，其动态变化将会对全球环境和气候变化产生重要影响。而越来越多证据表明，湿润亚热带森林对全球变暖的响应十分敏感，可能比人们想像的更为脆弱（Feel
18、ey et al., 2007）。土壤微生物对全球气候变化响应十分敏感，气候变暖很有可能首先影响土壤微生物的活性及其反馈方式从而影响微生物在土壤中的功能，进而对森林生态系统产生整体影响。显然，土壤微生物的变动必将会对湿润亚热带森林的生长产生重要影响。但是，该区域关于全球变化背景下森林生态系统土壤微生物的研究却十分匮乏，尤其是全球变化多因子的联合效应对杉木人工林土壤微生物有何影响目前尚不清楚，从而成为我国森林生态系统土壤微生物响应全球气候变化研究中亟待解决的科学问题。参考文献杨建琴. 松嫩草地土壤微生物量碳, 氮对模拟增温及氮沉降的响应D. 吉林：东北师范大学, 2011.推荐精选张乃莉, 郭继
19、勋, 王晓宇, 等. 土壤微生物对气候变暖和大气 N 沉降的响应J. 植物生态学报, 2007, 31(2): 252-261.Intergovernmental Panel on Climate Change Climate Change: Report of IPCC Scientific Group. Cambridge: IPCC, 2013.Galloway J N, Townsend A R, Erisman J W, et al. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potenti
20、al solutions. Science, 2008, 320(5878): 889-892.李德军, 莫江明, 方运霆, 等. 氮沉降对森林植物的影响J. 生态学报, 2003, 23(9): 1891-1900.卫云燕，尹华军，刘 庆，等. 候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展J应用与环境生物学报.2009,15 (6 ): 888-894.吴晓芙，胡日利.土壤微生物生物量作为土壤质量生物指标的研究J. 中南林学院学报.2002, 22(3): 51-53王晔青, 韩晓日, 周崇俊, 等. 长期施肥棕壤微生物量磷状况及其影响因素J. 安徽农业科学, 2007, 35(18): 5496-5
21、497.Frey S D, Drijber R, Smith H, et al. Microbial biomass, functional capacity, and community structure after 12 years of soil warmingJ. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(11): 2904-2907.吴秀臣, 孙辉, 杨万勤. 土壤酶活性对温度和 CO2 浓度升高的响应研究J. 土壤, 2007, 39(3): 358-363.林娜，刘勇，李国雷，等. 森林土壤酶研究进展J. 2010, 23(4):21-25
22、Kang HJ, Kim SY, Fenner N, et al. Shifts of soil enzyme activities in wetlands exposed to elevated CO2J. Science of the Total Environment, 2005, 337: 207-212.Deforest Kardol P, Cregger M A, Campany C E, et al. Soil ecosystem functioning under climate change: plant species and community effectsJ. Eco
23、logy, 2010, 91(3): 767-781.Sarathchandra SU, Ghani A, Yeates GW, Burch G, Cox NR. Effect of nitrogen and phosphate fertilizers on microbial and nematode diversity in pasture soilsJ. Soil Biology and Biochemistry, 2001,33(7-8):953-964.Schindlbacher A, Rodler A, Kuffner M, et al. Experimental warming effects on the microbial community of a temperate mountain forest soilJ. Soil Biology and Biochemistry 2011,43(7):1417-1425.推荐精选Mikael KA, Jose MA, Martin B, et al. The real2time polymerase chain reactionJ.1Molecular A spects of Medicine, 2006, 27: 95 125 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选