陳曉琳，吳福忠,2，岳楷,2，倪祥銀,2*

（1.福建師范大學(xué) a. 地理科學(xué)學(xué)院，b. 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350117；2. 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，福建 三明 365002）

森林土壤中蘊(yùn)藏著極其豐富的微生物群落，它們對(duì)于支撐森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)過(guò)程至關(guān)重要[1]。在氣候變暖的趨勢(shì)下，極端干旱和降雨天氣的增加都會(huì)改變土壤水分的可利用性[2-3]，進(jìn)一步影響土壤微生物生物量和群落組成[4-5]。因此，探究降水改變對(duì)森林土壤微生物群落的影響，對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化背景下森林土壤微生物群落變化及其介導(dǎo)的生物地球化學(xué)過(guò)程具有重要意義。不同的土壤微生物類群對(duì)外界脅迫有著不同程度的耐受性和生理代謝活動(dòng)[6]，使其對(duì)降水改變引起的土壤水分變化產(chǎn)生差異性響應(yīng)[7]。例如，真菌擁有能調(diào)節(jié)滲透壓的溶質(zhì)和能夠觸及基質(zhì)的菌絲，通常被認(rèn)為比細(xì)菌更能承受干旱脅迫[8-9]。也有研究指出，細(xì)菌對(duì)外界脅迫有較強(qiáng)的恢復(fù)力[6]。例如，革蘭氏陽(yáng)性菌擁有堅(jiān)固的肽聚糖細(xì)胞壁，對(duì)干旱環(huán)境有較強(qiáng)的耐受性[10]。降水改變對(duì)微生物群落影響的方向和程度還取決于當(dāng)?shù)氐母蓾駰l件[9]。增加降水使微生物代謝和酶活性增強(qiáng)，有利于微生物生物量的增加。但對(duì)于干旱地區(qū)而言，增加降水造成的土壤水勢(shì)變化也可能使微生物細(xì)胞受到滲透沖擊而消融[11]；減少降水則會(huì)影響干旱地區(qū)植物的活性，不利于真菌共生體存活導(dǎo)致土壤真菌生物量降低[12]。盡管目前已有關(guān)于降水變化影響土壤微生物生物量的研究[3,13]，但對(duì)于微生物群落如何響應(yīng)降水改變以及這些響應(yīng)在不同的干濕條件下有何差異仍存在較大的不確定性[14-15]。此外，土壤微生物群落對(duì)降水變化的響應(yīng)還可能受降水處理、氣候條件和土壤因子的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的降水可能會(huì)降低土壤含氧量，進(jìn)而抑制微生物活性[13]；由于高溫對(duì)土壤不穩(wěn)定基質(zhì)和土壤濕度的負(fù)面影響，更高的年均溫度可能會(huì)降低微生物對(duì)降水改變的響應(yīng)[13]；而較高濃度的土壤養(yǎng)分可能在一定程度上緩和降水減少造成的微生物內(nèi)部水勢(shì)變化，以避免其脫水和死亡[5]。然而，不同干濕條件下微生物群落對(duì)降水變化的響應(yīng)主要受什么因素的調(diào)控，仍需要進(jìn)一步研究。因此，基于磷脂脂肪酸（PLFAs）生物標(biāo)志物的方法，分析了全球森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的響應(yīng)及其在干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)之間的差異。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

通過(guò)Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)收集2021年10月之前發(fā)表的經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的期刊論文。Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)檢索的關(guān)鍵詞為“altered/increased/decreased precipitation”“water reduction/addition”“drought”和“PLFA”“phospholipid fatty acid”“microbial community”“microbial biomass”和“forest”。中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索的關(guān)鍵詞為“土壤微生物”和“降雨、降水、干旱、減少降水”和“森林”。

檢索的文獻(xiàn)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：1）通過(guò)磷脂脂肪酸（PLFAs）法而不是氯仿熏蒸法測(cè)定的微生物生物量；2）只收集森林土壤的數(shù)據(jù)，其他生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未納入數(shù)據(jù)集；3）所有數(shù)據(jù)必須嚴(yán)格配對(duì)，即對(duì)照與增加降水或減少降水；4）對(duì)于多因子處理實(shí)驗(yàn)，只選取對(duì)照與降水處理，其他因子未納入數(shù)據(jù)集。共篩選出27篇文獻(xiàn)，共有來(lái)自23個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的109對(duì)配對(duì)數(shù)據(jù)（表1）。

對(duì)于每項(xiàng)研究，提取處理組和對(duì)照組的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和樣本量。如果只有標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），則用公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)數(shù)據(jù)以圖的方式呈現(xiàn)時(shí)，使用GetData軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化以提取數(shù)值。同時(shí)，提取出降水處理（增加降水或減少降水、降水改變的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間）、地理信息（緯度、經(jīng)度）、氣候因子（年均降雨量（MAP）、年均氣溫（MAT））和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）的數(shù)據(jù)。

此外，還利用世界氣象組織提供的數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算了各研究地點(diǎn)采樣年份的帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）[14]。根據(jù)計(jì)算得到的PDSI值區(qū)分干旱或濕潤(rùn)地區(qū)，PDSI值大于0的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為濕潤(rùn)地區(qū)，小于0的為干旱地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

使用效應(yīng)值（RR）來(lái)評(píng)估森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的響應(yīng)，并計(jì)算加權(quán)效應(yīng)值（RR++）[34]。

表 1 文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)信息Table 1 Experimental site information in the literature

為了判定降水處理對(duì)土壤微生物群落的影響是否具有顯著性，采用Metawin軟件的隨機(jī)效應(yīng)模型來(lái)計(jì)算平均效應(yīng)值和經(jīng)過(guò)999次迭代計(jì)算的95%Bootstrap置信區(qū)間。如果置信區(qū)間沒(méi)有跨越0（均為正值或負(fù)值），則認(rèn)為這種響應(yīng)具有顯著性差異（P<0.05），反之則不顯著。另外，通過(guò)下面公式把平均效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為百分?jǐn)?shù)：

[e（RR++）-1]×100%

本研究使用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)分析干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)土壤微生物PLFAs的加權(quán)效應(yīng)值之間的差異顯著性。采用偏最小二乘（PLS）回歸模型來(lái)獲得干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)降水處理（降水改變的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間）、氣候因子（年均降雨量、年均氣溫、帕爾默干旱指數(shù)）和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）這9個(gè)變量的變量重要性值（VIP）。變量重要性值被用來(lái)評(píng)估這些變量對(duì)總PLFAs效應(yīng)值的影響強(qiáng)度和解釋能力，當(dāng)VIP值大于1表示影響顯著（P<0.05）。采用一般線性模型檢驗(yàn)土壤總PLFAs的效應(yīng)值與其主要的調(diào)控變量之間的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性水平為0.05。利用SIMCA14.1和R4.0.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的響應(yīng)

注：誤差線代表經(jīng)過(guò)999次迭代計(jì)算的95%Bootstrap置信區(qū)間。圖中虛線表示平均效應(yīng)值為0。右側(cè)括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示樣本量。 圖2同。圖 1 森林土壤微生物群落對(duì)增加降水（a）和減少降水（b）的響應(yīng)Figure 1 Responses of the microbial community to elevated （a） and decreased（b） precipitation in forest soils

圖 2 干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)森林土壤微生物群落對(duì)增加降水（a）和減少降水（b）的不同響應(yīng)Figure 2 Differential responses of microbial communities in forest soils to elevated（a） and decreased（b） precipitation between arid and humid areas

增加降水使真菌、細(xì)菌和總PLFAs分別顯著增加22%、33%和30%，使革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌比值顯著降低4%，但對(duì)真菌/細(xì)菌比值、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌PLFAs均沒(méi)有顯著影響（圖1a）。減少降水使真菌和總PLFAs分別顯著降低18%和8%，使革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌比值顯著提高6%，但對(duì)細(xì)菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌PLFAs和真菌/細(xì)菌比值均沒(méi)有顯著影響（圖1b）。

2.2 干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)之間的差異

真菌、細(xì)菌和總PLFAs對(duì)降水改變的響應(yīng)在干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)具有差異（圖2）。增加降水顯著增加了濕潤(rùn)地區(qū)和干旱地區(qū)的總PLFAs、濕潤(rùn)地區(qū)的真菌PLFAs、干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)的細(xì)菌PLFAs，對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)森林土壤真菌、細(xì)菌和總PLFAs的影響均大于干旱地區(qū)，其中干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)真菌PLFAs對(duì)增加降水的響應(yīng)有顯著差異（P=0.047）（圖2a）。

減少降水顯著降低了干旱地區(qū)森林土壤真菌PLFAs，且在干旱地區(qū)的影響顯著大于濕潤(rùn)地區(qū)（P=0.010），但對(duì)細(xì)菌和總PLFAs的影響不明顯（圖2b）。

2.3 干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)土壤微生物群落響應(yīng)的調(diào)控因素

2.3.1影響干旱地區(qū)總PLFAs響應(yīng)的重要因素

PLS模型結(jié)果表明，在增加降水的處理下，干旱地區(qū)總PLFAs的響應(yīng)在很大程度上取決于土壤碳含量、年均氣溫、年均降雨量、土壤pH值和土壤氮含量（圖3a）；其中增加降水強(qiáng)度和年均氣溫均與總PLFAs的效應(yīng)值呈負(fù)相關(guān)（P>0.05）（圖3b～圖3c）。在減少降水的處理下，干旱地區(qū)總PLFAs的響應(yīng)很大程度上取決于年均降雨量、年均氣溫和減少降水的強(qiáng)度（圖3d）；總PLFAs的效應(yīng)值與年均降雨量正相關(guān)（P<0.05），與年均氣溫負(fù)相關(guān)（P<0.05）（圖3e～圖3f）。

2.3.2 影響濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs響應(yīng)的重要因素

PLS模型結(jié)果表明，濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs對(duì)降水改變的響應(yīng)很大程度上取決于降水改變的強(qiáng)度（圖4）。在增加降水的處理下，濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs的響應(yīng)主要受增加降水的強(qiáng)度和土壤碳氮比的影響（圖4a），隨著增加降水強(qiáng)度的上升，總PLFAs的效應(yīng)值顯著下降（P<0.05）（圖4b）；在減少降水的處理下，濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs的響應(yīng)很大程度上取決于減少降水的強(qiáng)度、帕爾默干旱指數(shù)和土壤碳氮比（圖4c）；總PLFAs的效應(yīng)值與減少降水的強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與帕爾默干旱指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）（圖4d～圖4e）。

注：（a,b,c） 影響增加降水處理下總PLFAs響應(yīng)的重要變量，（d,e,f） 影響減少降水處理下總PLFAs響應(yīng)的重要變量。Intensity，降水改變的強(qiáng)度；Duration，處理持續(xù)時(shí)間；PDSI，帕爾默干旱指數(shù)；MAP，年均降雨量；MAT，年均氣溫；pH，土壤pH值；N，土壤氮含量；C，土壤碳含量；C/N，土壤碳氮比；根據(jù)修正后的Akaike信息標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)變量重要值，深色變量（VIP>1）表示影響顯著（P<0.05）。R值為皮爾遜相關(guān)系數(shù)的大小，即兩個(gè)變量共變性的程度；P值表示擬合結(jié)果的顯著性，P<0.05時(shí)表示顯著相關(guān)；陰影為95%置信區(qū)間。下同。圖 3 影響干旱地區(qū)總PLFAs對(duì)降水變化響應(yīng)的重要變量Figure 3 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in arid areas

注：（a,b） 影響增加降水處理下總PLFAs響應(yīng)的重要變量，（c,d,e） 影響減少降水處理下總PLFAs響應(yīng)的重要變量。圖 4 影響濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs對(duì)降水變化響應(yīng)的重要變量Figure 4 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in humid areas

3 討論

森林土壤微生物群落對(duì)增加降水和減少降水有不同方向和程度的響應(yīng)主要有以下幾方面的原因。第一，增加降水會(huì)提高土壤中溶質(zhì)的可利用性，為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供了可利用的養(yǎng)分[35]。本研究發(fā)現(xiàn)增加降水顯著提高了真菌、細(xì)菌和總的PLFAs（圖1a），進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)。第二，減少降水降低了總PLFAs和真菌PLFAs，卻沒(méi)有對(duì)細(xì)菌PLFAs產(chǎn)生顯著影響（圖1b）。這與真菌比細(xì)菌具有更高耐旱性的已有認(rèn)識(shí)不同[10]。也有研究表明，干旱對(duì)真菌的影響大于細(xì)菌[8,14]。這可能是細(xì)菌有一定的抗旱性，干旱對(duì)細(xì)菌的影響僅存在于屬的水平[14]。在干旱條件下活躍的細(xì)菌占據(jù)了主導(dǎo)地位，比如革蘭氏陽(yáng)性菌，進(jìn)而緩沖干旱所帶來(lái)的負(fù)面影響[9,15]。第三，增加降水和減少降水并沒(méi)有改變真菌/細(xì)菌比值，這與Zhang等[36]進(jìn)行的4年增雨實(shí)驗(yàn)和Cregger等[12]進(jìn)行的短期干旱實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。由于微生物群落組成對(duì)降水改變的適應(yīng)，微生物對(duì)短期的干旱和相對(duì)濕潤(rùn)的條件都有一定的自我調(diào)節(jié)能力[37]。

森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的響應(yīng)很大程度上受區(qū)域干濕條件的影響：增加降水對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)的土壤微生物群落影響更大，減少降水對(duì)干旱地區(qū)的土壤微生物群落影響更大（圖2）。土壤微生物有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制，能通過(guò)調(diào)節(jié)自身代謝來(lái)適應(yīng)土壤水勢(shì)變化[2]，但由于干旱地區(qū)土壤的濕度較低，增加降水給土壤帶來(lái)的重濕潤(rùn)過(guò)程會(huì)造成水勢(shì)的快速變化，引起細(xì)胞破裂[11]。同時(shí)，由于微生物在干旱時(shí)期會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在增加降水后，土壤微生物對(duì)增加降水的積極響應(yīng)也有所延遲[38]，因而森林土壤PLFAs對(duì)增加降水的正響應(yīng)在濕潤(rùn)地區(qū)比干旱地區(qū)更加明顯（圖2a）。增加降水并沒(méi)有增加干旱地區(qū)的土壤真菌PLFAs，這可能是由于真菌沒(méi)有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁來(lái)抵抗水勢(shì)的快速變化[2]。減少降水對(duì)干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)土壤總PLFAs均沒(méi)有顯著影響，且在濕潤(rùn)地區(qū)，隨著減少降水的強(qiáng)度增大，微生物的負(fù)面響應(yīng)反而減?。▓D4d）。這可能是由于土壤濕度的輕微變化沒(méi)有達(dá)到微生物的耐受閾值[24]，也可能是由于真菌和細(xì)菌的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)減小[37]，一定程度上緩解了減少降水帶來(lái)的負(fù)面影響。減少降水使微生物在高水勢(shì)下啟動(dòng)生理適應(yīng)策略，包括碳分配（更少用于繁殖，更多用于生存），合成大量可溶性有機(jī)物以降低滲透壓，休眠和分泌胞外酶等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡[2]。在減少降水的處理下，干旱地區(qū)的微生物相對(duì)于濕潤(rùn)地區(qū)會(huì)有更高的水勢(shì)，因此可能造成更多的微生物脫水死亡。此外森林土壤的微生物群落組成在一定程度上受土壤pH值的影響，降水的減少可能會(huì)提高土壤pH值[39]，不利于微生物（尤其是真菌）的生存[40]。同時(shí)，干旱地區(qū)土壤長(zhǎng)期缺水還會(huì)導(dǎo)致根系死亡率和銨鹽的增加，都會(huì)抑制真菌生長(zhǎng)[41]，因而減少降水對(duì)干旱地區(qū)真菌PLFAs的影響顯著大于濕潤(rùn)地區(qū)（圖2）。

本研究還發(fā)現(xiàn)，森林土壤總PLFAs對(duì)降水改變的響應(yīng)同時(shí)受到降水改變的強(qiáng)度、氣候和土壤因子的調(diào)控，且在干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)表現(xiàn)出明顯的差異。干旱地區(qū)主要受氣候因子的影響，包括年均氣溫和年均降水量。從全球尺度上看，溫度并不是影響土壤微生物生物量地理分布格局最顯著的預(yù)測(cè)因子，溫度可能通過(guò)影響蒸散和分解速率間接影響微生物生物量[42]，較低的氣溫不利于森林凋落物的分解和土壤水分的蒸散。因此對(duì)于缺水的干旱地區(qū)來(lái)說(shuō)，較低的氣溫可能有利于增加降水處理下土壤對(duì)水分的保存并降低降水減少的負(fù)面影響。年均降雨量與土壤PLFAs響應(yīng)之間的關(guān)系可能間接地來(lái)源于植物凋落物輸入對(duì)年均降雨量變化的響應(yīng)。由于地上凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)降水改變的敏感性與年均降雨量負(fù)相關(guān)[43]，土壤微生物因此受到基質(zhì)可利用性的限制。濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs對(duì)降水改變的響應(yīng)主要受降水改變強(qiáng)度的影響，總PLFAs響應(yīng)值與增加降水的強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與減少降水的強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于濕潤(rùn)地區(qū)本來(lái)就有較高的土壤含水量，高強(qiáng)度的降水導(dǎo)致土壤可用的孔隙空間被填充，降低了需氧微生物生長(zhǎng)所必需的氧氣水平[44]。相反，一定程度的干旱可能會(huì)減少微生物的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)，有利于微生物的生長(zhǎng)[37]。濕潤(rùn)地區(qū)總PLFAs的效應(yīng)值與PDSI之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系說(shuō)明，高濕度地區(qū)的微生物對(duì)降水減少更為敏感，可能造成微生物生物量的減少[13]。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)增加降水顯著增加了森林土壤的真菌、細(xì)菌和總PLFAs，減少降水顯著降低了真菌和總PLFAs。土壤PLFAs的響應(yīng)在不同干濕條件下有所區(qū)別，具體表現(xiàn)為增加降水在濕潤(rùn)地區(qū)的影響更大，而減少降水在干旱地區(qū)的影響更大。此外，降水改變的強(qiáng)度、氣候和土壤因子共同驅(qū)動(dòng)著森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的響應(yīng)，它們的重要性在干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)存在很大差異。因此，在評(píng)估降水改變對(duì)土壤微生物群落的影響時(shí)，需進(jìn)一步評(píng)估當(dāng)?shù)氐母蓾駰l件，結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓淖兊膹?qiáng)度、氣候條件、土壤因子，以分離干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)森林土壤微生物群落對(duì)降水改變的差異性響應(yīng)，更加清晰地認(rèn)識(shí)全球變化情景下土壤微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)過(guò)程。