劉株秀，劉俊杰，胡曉婧，金劍，王光華

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081; 2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

土壤被認為是地球的皮膚，它的形成是一個非常緩慢和復雜的過程，涉及到非生物因素(如氣候、母質、地形和時間)和生物因素(植物、微生物和動物)的一系列相互作用，從而形成了層次分明的土壤剖面[1-2]。其中，生物因子，尤其是微生物被認為是促進土壤形成的最活躍因子。例如，在缺乏植物定植的初始土壤中，先驅微生物通過加速原生礦物中還原態(tài)金屬離子的氧化，以及產酸的代謝作用來驅動礦物風化反應，從而幫助高等植物獲得營養(yǎng)而定植生長[3-4]。此外，土壤微生物是土壤有機質轉化以及土壤元素化學循環(huán)的引擎，在土壤形成及發(fā)育、調節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起到重要的作用[5-6]。因此，闡明土壤微生物剖面空間分布規(guī)律及其驅動因素，對于探索自然生命形成機制、維持生態(tài)系統(tǒng)服務功能及促進土壤可持續(xù)利用具有重要意義。

解讀土壤微生物的生物地理分布格局一直是生態(tài)學家關注的熱點。土壤剖面深度被視為是土壤性質的生態(tài)過濾器，沿著剖面形成了高度異質性的梯度環(huán)境，影響著土壤微生物群落的多樣性、組成和功能[7]。研究發(fā)現，單一土壤剖面內垂直距離僅10～20 cm間隔的微生物群落間的差異相當于水平距離數千公里的群落變化[8-9]，這充分說明了針對土壤剖面微生物分布格局研究的重要意義。雖然微生物生物量經常隨著土壤深度的增加而急劇下降，但土壤微生物對元素生物地球化學過程的影響仍然存在于整個土壤剖面中[10-11]。由于深層土壤較表層土壤的微生物更接近母質，它們對土壤形成的影響應該更強[12]，而目前對底層土壤微生物的群落結構及功能研究仍滯后于表層土壤。此外，深層土壤儲存了大量的有機碳，且周轉時間長，因此深層土壤微生物對土壤長期碳固存的作用不容忽視[9]。

研究土壤微生物群落垂直分布的方法主要有兩種。一種主流的方法是沿著土壤剖面間隔一定深度采集土壤樣品[7,13-14]。該方法由于不需要挖掘土壤剖面，利用土鉆即可采集樣本，取樣相對簡單，所得結果便于跨地域對不同地點土壤微生物群落的垂直分布進行比較分析，因此被多數研究者采用?；诖瞬蓸臃椒?，利用DNA指紋圖譜[15]、變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)[16]、磷脂脂肪酸(PLFA)[17]、熒光定量PCR(qPCR)[18-19]和高通量測序[8,20]等技術對土壤剖面微生物進行分析發(fā)現，底層土壤微生物的數量、多樣性指數及群落結構組成與表層土壤相比均發(fā)生了顯著變化。然而，該取樣方法缺乏建立土壤微生物組成與土壤形成之間的關聯分析，也具有不足之處[21]。另一種方法是基于土壤剖面診斷層特征采集土壤樣品[22]。此方法便于評估土壤微生物與土壤形成之間的關系。應用這種方法的前提條件是要對采樣地土壤剖面特征有深入的了解，同時，此方法不方便進行跨空間尺度的土壤微生物群落的比較研究。因此，只有少數研究者采用這種方法來調查土壤剖面微生物的分布模式[21-23]。例如，最近俄羅斯道庫恰耶夫土壤研究所的Semenov等[22]基于診斷層采集土壤樣品，比較了不同土地利用方式下(森林、撂荒和農田)的土壤剖面原核生物群落，發(fā)現土壤診斷層之間的微生物群落結構差異比土地利用方式之間的差異更明顯，A層和B層土壤微生物形成獨立的群落，而AB層落在兩者之間，表明土壤微生物群落具有診斷層特異性。

鑒于此，本文綜述了微生物豐度、多樣性和群落組成在土壤剖面中的變化規(guī)律及其驅動因子的研究進展，以期闡明微生物參與土壤有機質形成的內在機制，為垂直空間分布格局下微生物多樣性的保護和土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供理論依據。

1 土壤剖面微生物豐度變化

通常而言，表層土壤通氣狀況好，土壤有機碳及各種養(yǎng)分含量高于底層土壤，土壤剖面微生物數量總體呈現出隨深度增加而降低的趨勢。van Leeuwen等[24]基于森林、草地和農田生態(tài)系統(tǒng)的土壤剖面微生物量的研究發(fā)現，土壤微生物生物量和活性在0～80 cm內隨土壤深度的增加而降低3～4倍。然而，不同微生物類群隨著土壤深度的變化趨勢存在一定的差異(表1)?；赑LFA技術研究結果表明，旱地土壤中革蘭氏陽性細菌(G+)在底層土壤中豐度較高，而革蘭氏陰性細菌(G-)、真菌和原生動物在表層土壤中(0～20 cm)數量達到最高值[17]。利用此標記技術，Li等[25]在水稻田中研究也發(fā)現，在深層土壤(20～100 cm)中革蘭氏陽性細菌(G+)數量顯著高于革蘭氏陰性細菌(G-)，碳源利用率隨土壤深度的增加而降低是導致這種差異分布的主要因素。然而，Liu等[26]基于森林土壤的研究表明，革蘭氏陽性細菌(G+)的數量在表層土壤中最高，并隨著土壤深度的增加而呈現降低趨勢。利用qPCR技術研究發(fā)現，底層土壤細菌和真菌的數量均較表層土壤下降了1～2個數量級[27]。但不同生態(tài)系統(tǒng)中真菌數量下降的程度都顯著大于細菌，真菌群落較細菌群落對土壤深度響應強烈的主要原因是真菌群落對營養(yǎng)水平和碳氮比(C/N)的敏感性高導致的[27-28]。此外，也有研究表明，土壤細菌豐度隨著土壤深度的增加并未表現出明顯差異或呈現出單峰變化趨勢[22,29]。目前有關土壤剖面古菌數量分布的研究結果也存在爭議，Yuan等[19]和Ivanova等[21]基于稻田和森林土壤的研究發(fā)現，深層土壤(>60 cm)的古菌豐度明顯低于表層土壤(0～20 cm)，而沈菊培等[30]對祁陽紅壤和封丘潮土兩個農田土壤剖面古菌qPCR檢測發(fā)現，古菌豐度在不同土層間變化不大。此外，Liang等[31]研究發(fā)現，深層土壤(60～140 cm)的病毒豐度比地表土壤(0～20 cm)減少了約3個數量級，并且土壤中的病毒豐度與細菌豐度顯著相關。針對功能菌的標記基因豐度研究發(fā)現，隨著土壤深度的增加，氨氧化細菌(amoA-AOB)、固氮菌(nifH)和反硝化菌(nosZ、nirS和nirK)的豐度顯著減少，而幾丁質降解菌(chiA)的豐度則呈升高趨勢[19,32-33]。然而，對于氨氧化古菌(amoA-AOA)，有研究發(fā)現其豐度隨著土壤深度的增加而增加[33]，因為AOA更適應深層土壤中的高pH環(huán)境。與此相反，Fischer等[32]研究表明土壤中AOA的豐度隨著土壤深度的增加而明顯降低?？梢姴煌瑢W者對細菌和古菌豐度沿土壤深度變化的研究結果存在差異，這可能與土壤類型、土地利用方式和采樣時間的差異有關(表1)。

表1 土壤微生物豐度隨著土壤深度的變化情況

2 土壤剖面微生物多樣性變化

基于PLFA和qPCR等技術，雖然揭示了微生物數量隨土壤深度的變化特征，但不能從微生物群落分類和系統(tǒng)進化水平進行分析，導致我們對土壤剖面微生物多樣性和群落組成的認知尚不明晰[18]。而采用高通量測序技術可以對多個土壤剖面的微生物多樣性及結構組成進行研究。總體而言，隨著土壤深度的增加，土壤細菌和真菌的alpha多樣性呈顯著降低的趨勢[13,34-35]，而土壤古菌多樣性呈明顯增加的趨勢[35-36]。土壤剖面微生物多樣性的變化主要與土壤理化指標變化關系密切，大量研究表明土壤養(yǎng)分含量與土壤細菌和真菌多樣性呈顯著正相關關系[18,22]，而大多數古菌能有效利用土壤中的有限養(yǎng)分，對深層土壤的低養(yǎng)分環(huán)境有較強的適應能力[37-38]。雖然剖面微生物多樣性存在一定的規(guī)律性變化，但也有一些例外的研究結果。如Semenov等[22]對森林、撂荒和農田黑土剖面微生物研究發(fā)現，森林和撂荒土壤細菌和古菌的alpha多樣性在深度20～60 cm的亞表層最低，而農田土壤中在深度30～40 cm的犁底層多樣性最低。Chernov等[23]對比研究了堿土和草原栗鈣土深達150 cm的細菌群落結構，發(fā)現細菌alpha多樣性在堿土中隨深度增加而下降，而在栗鈣土上變化不明顯。表2匯總了一些微生物群落alpha多樣性隨土壤深度的變化情況，由表可知，不同研究者得到的結果不盡相同，可見微生物多樣性隨土壤剖面變化是因土壤類型和土地利用方式而異的。

表2 土壤微生物多樣性隨著土壤深度的變化情況

3 土壤剖面微生物群落組成變化

高通量測序研究結果發(fā)現，土壤剖面微生物群落組成在不同土壤深度下分異顯著[13]。富營養(yǎng)菌如放線菌門(Actinobacteria)、β-變形菌門(Beta-Proteobacteria)和接合菌門(Zygomycota)通常在營養(yǎng)豐富的表層土壤中相對豐度較高，而寡營養(yǎng)菌如酸桿菌門(Acidobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)以及厭氧菌廣古菌門(Euryarchaeota)則在營養(yǎng)貧瘠和缺氧的底層土壤中相對富集[18,40-41]。然而，土壤剖面微生物分布也有一些特殊的現象，如Liu等[42]報道了我國黃土高原石灰性潮土上油松(Pinustabulaeformis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)林地深達20 m的細菌群落組成分布情況，他們發(fā)現α-變形菌門(Alpha-Proteobacteria)的相對豐度在兩種林地深度分別為20 m和14 m時最高，與此相反，酸桿菌門相對豐度在表層土壤中高于底層土壤。Hao等[13]也發(fā)現在美國黑土農田中變形菌門相對豐度隨土壤深度的增加而增加，在深度120～180 cm時其相對豐度高達75%，而由于深層土壤pH的升高，更偏好酸性土壤環(huán)境的酸桿菌門在表層(0～60 cm)土壤中相對豐度顯著高于底層土壤(60～180 cm)。此外，疣微菌門(Verrucomicrobia)是廣泛存在于各種生境中的一類細菌。通常疣微菌被認為是寡營養(yǎng)菌[43-44]，但該菌門的相對豐度在剖面中分布卻并未呈現出隨土層深度增加而增加的趨勢，多數研究發(fā)現疣微菌門的相對豐度在亞表層土壤中最高，且隨土壤深度的增加呈現出單峰變化的趨勢[9,13,45]，也有研究發(fā)現疣微菌的相對豐度隨深度的增加而下降[18,22]。Feng等[41]基于森林土壤研究發(fā)現，盡管放線菌門屬于富營養(yǎng)菌，但它的相對豐度隨著土壤深度的增加而顯著升高。這是由于放線菌具有降解多種惰性碳源的能力，因此與其他微生物相比，放線菌在活性碳含量明顯減少的深層土壤中具有更強的競爭優(yōu)勢[46]。這些研究結果與傳統(tǒng)認知的變形菌門和放線菌門是富營養(yǎng)菌，而酸桿菌門和疣微菌門是寡營養(yǎng)菌觀點相反。最近，Hao等[13]針對美國愛荷華州種植玉米和大豆的黑土農田剖面細菌研究發(fā)現，一些細菌門類，如放線菌門、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)和綠彎菌門(Chloroflexi)的相對豐度隨土壤深度增加呈現先增加后降低的單峰變化現象。然而，Young等[47]基于阿爾卑斯山脈的土壤剖面研究發(fā)現，土壤中最豐富的微生物類群(如放線菌門和變形菌門)的相對豐度在土層之間沒有顯著變化。上述研究結果的差異可能是由于不同土壤類型和不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落變化特征對土壤深度的響應不一致所致[9,22]，也可能與同門細菌中不同細菌成員間存在生理分化和生態(tài)位分異有關。這表明土壤剖面微生物群落演替的機制是十分復雜的，因此，需要深入研究以揭示不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落變化特征對土壤深度的響應機制。

4 土壤微生物群落結構及其驅動因素隨著土壤剖面的變化

基于退耕還林地的土壤微生物群落研究發(fā)現，隨著土壤深度的增加，土壤細菌、真菌和古菌群落結構均發(fā)生明顯的變化[35]。針對水稻田的一項研究也發(fā)現，古菌和細菌群落結構隨土壤深度發(fā)生顯著變化[48]。有研究發(fā)現土壤深度而不是土壤本身性質和土地利用方式是制約微生物群落分布的主要因素[10]。然而，Yuan 等[19]和Tripathi等[29]研究認為，土壤深度對水稻土古菌、細菌和真菌群落的影響有限，土壤理化性質差異是驅動土壤微生物群落變化的主要影響因子。在土壤形成發(fā)育過程中剖面性狀發(fā)生明顯的變化，有研究發(fā)現土壤砂粒含量隨著土壤深度增加而增加，而粉粒和黏粒含量則呈現相反的變化趨勢[16]。此外，隨著土壤深度的增加，土壤中動物殘體以及植物凋落物的數量不斷減少，導致土壤有機碳、全氮和全磷含量呈明顯降低的趨勢[10]。同時，作為一個重要的土壤因子，多數研究發(fā)現土壤 pH隨土壤深度的增加而明顯升高[20,49]。因此顯然可以推測，土壤理化性狀在短距離內相對劇烈的變化勢必對土壤微生物群落結構產生重要影響[8-9]。例如，Bai等[40]和Fierer等[17]研究結果顯示，土壤pH和有機碳含量是驅動微生物隨土層變化的最主要因素。Watanabe等[50]也報道，在兩個排水良好的稻田中，土壤古菌和細菌的群落結構在不同土層之間都存在差異，而在淹水的稻田中，不同土層之間僅古菌群落結構存在顯著差異，細菌群落結構沒有明顯變化。針對我國東北松嫩平原大安蘇打鹽堿地試驗站的重度、中度和無鹽堿的草地剖面研究發(fā)現，無鹽堿土壤與鹽堿土壤細菌群落結構差異顯著，無鹽堿土壤分層效應表現不明顯，而重度和中度鹽堿化土壤分層效應表現顯著，說明垂直短距離內鹽堿度變化是驅動大安蘇打鹽堿地剖面微生物結構變化的主要因子[20]。此外，Li等[51-52]基于海倫、常熟和鷹潭三地水稻田土壤剖面研究發(fā)現，在單個地點內，土壤全碳和全氮含量隨土壤深度的變化是驅動細菌群落發(fā)生演替的最主要因子。然而，在大尺度上地理距離對真菌(0～100 cm)和深層土壤細菌(20～100 cm)群落分布的影響要大于土壤環(huán)境因子。由此可見，土壤剖面微生物群落變化的主要驅動因素是因研究尺度、植被類型和土壤的異質性而異的。

5 土壤剖面微生物共現模式變化

在復雜的生態(tài)系統(tǒng)中，物種間的相互作用(共生、競爭和捕食等)對于生態(tài)系統(tǒng)的影響比物種豐度和多樣性更為重要[53-54]?；诓莸氐耐寥牢⑸锞W絡分析結果表明，表層土壤微生物比深層土壤微生物之間的聯系更密切、相互作用更強[39,55]。這一方面歸因于表層土壤養(yǎng)分資源豐富，減少了微生物群落內部的特異性競爭[56]，使得不同的微生物類群可以長期共存并廣泛建立聯系，從而最大限度地利用了表層土壤資源[7,10]；另一方面也與生活在深層土壤的微生物數量少、遷移率低，導致相互之間接觸產生聯系的機會少，從而形成相對更小、更簡單且分散的網絡結構有關[55]。然而，有研究認為由于底層土壤營養(yǎng)物質有限，為了更加高效的利用底層土壤中有限的養(yǎng)分資源或者抵抗底層土壤中的環(huán)境脅迫，底層土壤微生物之間彼此合作更加密切[57-58]。例如，焦克等[34]基于森林生態(tài)系統(tǒng)的共現網絡分析結果表明，底層土壤細菌和真菌網絡的平均連接度和平均聚類系數均高于表層土壤，說明微生物相互作用隨土壤深度的增加而增強。同時，相比于表層土壤，底層土壤細菌和真菌網絡中的正連接比例有所增加[14,34]。此外，基于農田生態(tài)系統(tǒng)的研究也表明，微生物網絡拓撲參數，如連通度、群聚系數和網絡密度等均隨深度增加而明顯增加[59]。然而不同的是，黃蘭婷等[59]發(fā)現土壤細菌和真菌網絡中正連接比例隨深度的增加而減少，意味著底層土壤環(huán)境導致微生物之間存在著激烈的競爭。

6 土壤剖面微生物群落裝配過程變化

微生物群落裝配同時受到隨機性過程(擴散限制和同質性擴散過程)和確定性過程(異質性選擇和同質性選擇過程)的影響，探究各個生態(tài)過程對微生物群落裝配的相對貢獻能有效解釋微生物群落構建機制[60-61]。Tripathi等[29]研究發(fā)現，美國阿拉斯加凍土帶的森林和苔原土壤0～90 cm深的土壤剖面細菌群落裝配主要受到確定性過程的影響。然而，Xu等[20]對我國東北鹽堿地的裸地和草地土壤剖面研究發(fā)現，確定性過程僅主導了0～60 cm深度的土壤微生物群落裝配，而底層土壤(80～100 cm)的細菌群落裝配則主要受到隨機性過程的影響。作者分析是由于底層土壤中微生物群落的遷移受到限制，從而導致擴散限制過程對底層土壤細菌群落裝配的相對貢獻明顯增加所致[20]。與之相反，Wu等[62]基于我國紅壤農田的研究表明，淺層土壤(0～90 cm)的細菌群落裝配以隨機性過程為主，而由于深層土壤提供相對穩(wěn)定的環(huán)境，因此確定性過程(同質性選擇過程)主導了深層土壤(>90 cm)的細菌群落裝配。Luan等[14]對我國紅壤農田剖面的研究也發(fā)現，在0～80 cm深的土壤剖面內細菌群落裝配以隨機性過程為主，而對于更深層次的土壤微生物群落裝配過程其研究并未涉及。以上這些研究結果的差異或許說明隨機性和確定性過程在土壤剖面微生物群落裝配過程中的相對貢獻會受到土壤類型和土地利用方式的影響。目前，涉及土壤剖面微生物群落裝配過程的研究較少，對于隨機性和確定性過程對土壤微生物群落垂直空間變異的相對貢獻仍存在很大的爭議，因此亟待深入研究以揭示不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落構建過程對土壤深度的響應機制。

7 結論和展望

綜上所述，土壤理化性質、酶活性和微生物群落均沿著土壤剖面發(fā)生重大變化。隨著土壤深度的增加，土壤養(yǎng)分狀況和酶活性普遍呈降低趨勢，而土壤pH則明顯升高。關于土壤剖面微生物分布格局及其裝配過程的研究，雖取得了一定的進展，但由于土壤環(huán)境錯綜復雜，土壤微生物群落變化特征對土壤深度的響應機制因研究樣本表現不一致。此外，目前關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較工作，其很難與土壤形成的本質屬性，即診斷層特征建立聯系。同時，微生物群落組成沿著土壤剖面的變化勢必會導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能的改變，從而影響生物地球化學循環(huán)[7]。然而目前針對深層土壤微生物驅動的生物地球化學過程的研究仍處于初始階段，相關研究正面臨著機遇和挑戰(zhàn)并存的現狀。因此，鑒于新組學技術的快速發(fā)展及其在土壤微生物生態(tài)功能的研究中發(fā)揮了越來越重要的作用，亟待應用新組學技術對深層土壤功能微生物組開展廣泛深入的研究，以為調控深層土壤微生物驅動的生物地球化學過程和解析其分子生態(tài)學機制提供理論依據。此外，明確土壤微生物群落裝配過程中隨機性和確定性過程的相對貢獻對于理解土壤剖面微生物群落與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關系，以及破譯微生物群落對環(huán)境變化的響應和反饋機制至關重要[14,63]。然而，目前僅有少量研究涉及到土壤剖面微生物群落裝配過程，并且其往往集中在細菌群落上，而較少涉及其他微生物類群。鑒于此，未來針對土壤剖面微生物的研究應注重以下幾個方面：(1)應用宏基因組、轉錄組和代謝組學等新技術，深入挖掘土壤功能微生物組，以解析土壤深度具體影響了哪些微生物類群，這些類群又具有什么生態(tài)功能以及它是如何誘導微生物群落發(fā)生變化的；(2)加強微生物種類和功能鑒定，提供更加豐富的微生物菌種資源；同時，改進微生物培養(yǎng)策略，并利用純培養(yǎng)個體進行種間及種內相互作用研究，以驗證分子生態(tài)網絡分析中鑒別出的關鍵微生物的相互作用關系；(3)增加按土壤診斷層采集樣品的研究，以解析土壤剖面微生物與土壤形成的內在關系；(4)深化對不同土壤類型、不同土地利用方式下土壤剖面微生物群落分布格局的比較研究，以解析其豐度、多樣性和群落組成變化對土壤深度的響應機制；(5)加強土壤剖面微生物群落裝配過程的研究，尤其是針對目前仍處于空白的古菌、真菌及功能菌群落，從而對垂直分布格局下的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供科學依據?；诖?，在以后的研究中建議利用多組學技術聯合分析土壤剖面微生物的空間分布格局及其與生態(tài)功能和診斷層特征之間的潛在聯系，進一步揭示土壤形成的深層機制，從而實現土壤資源的可持續(xù)利用。