朱 婧, 劉 鼎, 王 珊, 黃祚水, 梁建宏

(1.珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范大學(xué))， 廣西 桂林 541006； 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 廣西 桂林 541006； 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004； 4.自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004； 5.自然資源部 巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

土壤功能涵蓋基于土壤的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)服務(wù)的各個(gè)方面，主要包括：生產(chǎn)生物質(zhì)、涵養(yǎng)過(guò)濾飲用水、儲(chǔ)存和循環(huán)養(yǎng)分、作為生物的棲息地保持物種多樣性以及作為全球最重要的碳庫(kù)之一調(diào)節(jié)全球碳(C)循環(huán)[1]。土壤碳存儲(chǔ)和固持不僅是土壤質(zhì)量和肥力的重要特征之一，也對(duì)控制大氣二氧化碳(CO2)濃度、延緩氣候變化具有決定性作用[2]。由于土壤碳庫(kù)可以提供多種生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)，尤其是在緩解氣候變化和促進(jìn)糧食安全方面的重大作用，維持和增加全球土壤碳庫(kù)不僅是科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)，國(guó)際和國(guó)家層面對(duì)此也極為重視。例如，2015 年的巴黎聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)COP21發(fā)起的“千分之四”國(guó)際倡議(4‰ initiative: soils for food security and climate；全球土壤增碳計(jì)劃)[3]，表明土壤在糧食安全和氣候變化方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，在氣候變化背景下，掌握土壤有機(jī)質(zhì)存儲(chǔ)和分解的控制機(jī)理及其對(duì)人為干擾和全球變化的響應(yīng)非常重要。

土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中至關(guān)重要。異養(yǎng)土壤微生物(細(xì)菌、真菌和古生菌)通過(guò)轉(zhuǎn)化植物輸入的、外源添加的及土壤固存的有機(jī)質(zhì)來(lái)獲取土壤微生物維持和生長(zhǎng)的養(yǎng)分和能量[4-5]，決定了生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)轉(zhuǎn)化為碳儲(chǔ)量的效率。研究表明，土壤微生物殘?bào)w和分泌物可能貢獻(xiàn)了高達(dá)80%的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳[6-7]。異養(yǎng)微生物一方面分解有機(jī)碳使其礦化，另一方面同化有機(jī)碳合成自身生物量，微生物殘?bào)w提升了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性[8]，加上對(duì)土壤有機(jī)碳的體外修飾作用，共同形成了土壤微生物源碳——“微生物碳泵”機(jī)制”[9-10]，這些過(guò)程的平衡決定土壤碳儲(chǔ)量。而多種環(huán)境條件對(duì)微生物群落的結(jié)構(gòu)和生理活性產(chǎn)生影響，使上述平衡發(fā)生改變，進(jìn)而影響碳儲(chǔ)量[11]。碳利用效率(carbon use efficiency, CUE)在20世紀(jì)初作為評(píng)估純菌同化底物效率的生理指標(biāo)被提出[12]，而后其概念擴(kuò)展應(yīng)用至生態(tài)學(xué)中。微生物CUE指微生物用于生長(zhǎng)同化的有機(jī)碳底物量與分解異化過(guò)程(如呼吸作用)對(duì)底物碳利用量的比率，反映了微生物對(duì)有機(jī)碳的同化合成(生長(zhǎng))和分解代謝(呼吸)的平衡和耦合[13-14]。CUE的內(nèi)核本質(zhì)反映了在不同時(shí)間和空間尺度上影響碳代謝的眾多過(guò)程(包括細(xì)胞個(gè)體及物種層次的生理過(guò)程以及群落或生態(tài)系統(tǒng)層次上的動(dòng)力學(xué)特征)的集合[15]。因此，理解CUE所反映的微生物生理過(guò)程及其對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)程度，是量化生態(tài)系統(tǒng)土壤碳固持能力，評(píng)估其長(zhǎng)期碳儲(chǔ)量的潛力，預(yù)測(cè)全球變化、人為干擾及各種管理措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳固持影響的關(guān)鍵所在，是當(dāng)下生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候(如溫度和濕度)、土壤理化特征(如土壤質(zhì)地和團(tuán)聚體、土壤礦物和pH等)、土壤有機(jī)質(zhì)底物的質(zhì)量和養(yǎng)分含量等生物因子和非生物因子都對(duì)微生物CUE產(chǎn)生影響[16-17]。自養(yǎng)生物(植物和自養(yǎng)微生物)在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中通常面臨養(yǎng)分限制，而土壤異養(yǎng)微生物通過(guò)分解有機(jī)碳獲取營(yíng)養(yǎng)和能量，因此既可能受到養(yǎng)分限制，亦可能在養(yǎng)分相對(duì)充分的情況下表現(xiàn)為碳限制[18]。經(jīng)典養(yǎng)分限制理論(Liebig’s law of the minimum)認(rèn)為生物量的產(chǎn)生由可利用性最低的單營(yíng)養(yǎng)限制[19]。但越來(lái)越多的研究表明，在生態(tài)系統(tǒng)中可能發(fā)生多種元素共同限制，這主要是因?yàn)槿郝渲胁煌⑸镂锓N對(duì)于養(yǎng)分的需求有差異[20]；同時(shí)，一種養(yǎng)分的缺乏可能會(huì)降低微生物對(duì)另一種養(yǎng)分的獲取效率[21]。土壤有機(jī)碳含量、氮(N)、磷(P)等營(yíng)養(yǎng)元素的含量以及它們之間的化學(xué)計(jì)量比(C∶N∶P)是微生物在同化生長(zhǎng)和呼吸獲取能量過(guò)程中分配有機(jī)碳的重要影響因子。影響C∶N∶P的機(jī)制較為復(fù)雜，不僅包括養(yǎng)分供給影響微生物生理活性的直接作用，也包括通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)從而影響CUE的間接作用，因此，這是當(dāng)前CUE研究中所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。本文對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行整理、總結(jié)和分析，從土壤有機(jī)質(zhì)碳源、養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比特征、微生物群落對(duì)養(yǎng)分的響應(yīng)以及其他生理功能機(jī)制的角度，概述微生物CUE的影響機(jī)制(見(jiàn)圖1，菱形框突出本文所重點(diǎn)綜述的2個(gè)關(guān)鍵控制機(jī)理及它們?cè)谖⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)和生理及土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中的調(diào)節(jié)機(jī)制)，進(jìn)而分析養(yǎng)分供給與其他生態(tài)因子可能的交互作用，最后提出將來(lái)CUE重要的研究方向，以期為預(yù)測(cè)和評(píng)估人為活動(dòng)和氣候變化對(duì)CUE的影響提供理論依據(jù)。

圖1 養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量特征對(duì)微生物利用效率和有機(jī)物歸趨的影響框架Fig.1 Proposed framework for the impacts of nutrients and stoichiometry on microbial carbon use efficiency and the fate of organic matter

1 土壤養(yǎng)分對(duì)CUE的影響機(jī)制

1.1 有機(jī)質(zhì)底物質(zhì)量

盡管土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，但對(duì)于異養(yǎng)微生物而言，易分解的活性有機(jī)碳通常是限制其生長(zhǎng)的最重要因素[18]。微生物一方面同化有機(jī)質(zhì)用于自身生長(zhǎng)，另一方面通過(guò)呼吸代謝消耗有機(jī)質(zhì)獲取能量。能量分配給前者越多，則CUE越高[22]。依據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，CUE的極限值為0.88，意味著微生物至少需要消耗12%的碳,通過(guò)呼吸作用產(chǎn)生能量維持自身生理活動(dòng)[23]。有機(jī)質(zhì)底物質(zhì)量對(duì)CUE有顯著影響。不同植被覆蓋類型導(dǎo)致輸入土壤的凋落物質(zhì)量有所差異，因而可被微生物同化利用的效率不同[24]。土壤微生物代謝供能和同化生長(zhǎng)這兩方面都將影響到微生物對(duì)有機(jī)碳利用方式的分配能力，即CUE的高低[25]。在代謝有機(jī)質(zhì)底物提供能量方面， 底物碳還原度(Rs)是衡量每摩爾碳化學(xué)能的指標(biāo)，通常被用于評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)提供能量的能力[23]。研究表明：當(dāng)?shù)孜颮s小于微生物生物質(zhì)碳還原度(RB)時(shí)，微生物需要消耗額外的碳合成生物量，從而CUE較低；而當(dāng)Rs>RB時(shí)，微生物的生長(zhǎng)則有充足的能量，其生長(zhǎng)速率主要受到底物中總可用有機(jī)碳含量的限制[25]。

在同化有機(jī)碳生長(zhǎng)方面，不同的底物需要不同的代謝途徑才能被完全同化，而有機(jī)質(zhì)底物類型會(huì)影響其轉(zhuǎn)化為新生物質(zhì)的效率[26]，難以降解的有機(jī)質(zhì)需要大量酶的參與。微生物產(chǎn)生和分泌胞外酶的過(guò)程伴隨能量的消耗，使得同化每單位C的呼吸速率增大[23, 26]，降低CUE值。例如，糖苷水解酶通常作用于植物細(xì)胞壁的分解，在有機(jī)質(zhì)限制的土壤中，表達(dá)該酶的基因豐度和多樣性都更高[27]。Takriti等[28]通過(guò)采用13C示蹤的糖類、氨基糖、氨基酸和有機(jī)酸在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程，并用纖維二糖水解酶(CBH)和酚氧化酶(POX)的比值作為底物質(zhì)量的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)底物利用的CUE與CBH∶POX呈顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機(jī)質(zhì)底物種類是CUE重要的控制因子。但在包含114種來(lái)自不同地區(qū)的土壤和16種由14C標(biāo)記的有機(jī)質(zhì)底物的研究中，Jones等[29]僅發(fā)現(xiàn)葡萄糖等有機(jī)質(zhì)底物在不同土壤中均有較一致的高CUE水平，而其他有機(jī)質(zhì)底物在不同土壤中的CUE變化很大。綜上，有機(jī)質(zhì)底物的質(zhì)量只能部分解釋土壤CUE的變化。

1.2 養(yǎng)分可利用性

氮和磷對(duì)于有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能必不可少：氮的增加促進(jìn)微生物蛋白質(zhì)和核酸等關(guān)鍵細(xì)胞生長(zhǎng)，包括調(diào)控生長(zhǎng)代謝過(guò)程各種酶的合成[30]；磷的增加促進(jìn)富含磷的核糖體合成，而后者是合成細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的各種酶的場(chǎng)所[31]，三磷酸腺苷(ATP)的增加亦提高了微生物活性[32]。由于氮和磷在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中都有限，其可利用性的增加促進(jìn)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)，而氮磷養(yǎng)分的添加對(duì)異養(yǎng)呼吸的作用可能有相反的影響。Zhang等[33]在全球尺度范圍內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)的Meta分析中發(fā)現(xiàn)，氮的添加總體呈現(xiàn)降低異養(yǎng)呼吸的趨勢(shì)。另一方面，磷添加則能增加異養(yǎng)呼吸[34-36]。這表明氮和磷對(duì)微生物有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響機(jī)制不同。在氮限制下，微生物通過(guò)分解有機(jī)質(zhì)、固定無(wú)機(jī)氮，并通過(guò)合成促進(jìn)有機(jī)氮降解的酶從而更有效地獲取氮[37]，這些生理過(guò)程均需要消耗能量，使呼吸速率增大[17]。同時(shí)，氮的添加可能導(dǎo)致土壤pH降低和細(xì)胞滲透壓的改變，這是呼吸速率下降的主要原因之一[38]。盡管分解有機(jī)質(zhì)也是微生物對(duì)磷獲取的重要途徑之一，微生物亦可通過(guò)分泌有機(jī)酸活化土壤無(wú)機(jī)磷[39]，因此磷的獲取與有機(jī)質(zhì)分解的耦合度相對(duì)更小[40-41]。在磷限制條件下，添加磷主要體現(xiàn)為微生物活性的增強(qiáng)所導(dǎo)致呼吸作用的增加。這可能是因?yàn)樘砑拥牧着c土壤有機(jī)質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，從而降低了吸附對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)，增加了其微生物可利用性，進(jìn)而提高了呼吸速率[36]。由于養(yǎng)分的可利用性對(duì)于微生物生長(zhǎng)和呼吸作用的機(jī)理不一致，且不同土壤的養(yǎng)分有效性不同，通過(guò)養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)對(duì)微生物CUE的影響研究常常很難獲得一致的規(guī)律[37, 42]。需要特別注意的是，微生物生物量、生理活性、酶活性對(duì)養(yǎng)分的添加存在一定閾值，超過(guò)該閾值，作用的方向可能會(huì)發(fā)生改變[43]。如Li等[44]發(fā)現(xiàn)低氮添加(25 kg/(ha·a))能提高溫帶森林有機(jī)層土壤中微生物的CUE；當(dāng)?shù)砑犹岣咧?5 kg/(ha·a)，反而使得CUE降低；與之不同的是，礦質(zhì)層土壤微生物CUE在低氮添加時(shí)不受影響，而高氮添加時(shí)則被顯著提高。這些研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分可利用性影響CUE，但其影響機(jī)理多樣，還需要進(jìn)一步深入研究。

1.3 C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征

有機(jī)碳與養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量特征作為表征底物和養(yǎng)分限制性的指標(biāo)[45]，是微生物CUE的重要影響因素[46-47]。在化學(xué)計(jì)量學(xué)理論中，當(dāng)必需元素相對(duì)于碳的可用性低于其最佳生長(zhǎng)所需的臨界比率(TER)時(shí)，生長(zhǎng)就會(huì)受到養(yǎng)分的限制[48]。通常而言，有機(jī)質(zhì)底物中C∶N∶P較高(如葉片凋落物中該比率為3 055∶43∶1，而木質(zhì)殘?bào)w的比率則高達(dá)14 103∶40∶1)[49]，而土壤和微生物中大致為186∶13∶1和60∶7∶1[50]，或者287∶17∶1和42∶6∶1[51]。根據(jù)消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán)理論，限制性養(yǎng)分更可能高效地用于微生物生長(zhǎng)，而非限制性養(yǎng)分則可能被微生物釋放到環(huán)境中[45]。因此，不同化學(xué)計(jì)量比之間的不平衡意味著微生物在利用有機(jī)質(zhì)底物的過(guò)程中，將過(guò)量的碳轉(zhuǎn)化為CO2釋放的能量用以獲取氮磷養(yǎng)分[52]；而在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中磷相比氮更為缺乏，微生物需要消耗更多的能量獲取和持留磷[53-54]。

微生物生長(zhǎng)量必須根據(jù)所能獲取到的養(yǎng)分量進(jìn)行調(diào)整。為了在氮和磷可用性較低的情況下達(dá)到內(nèi)部穩(wěn)態(tài)平衡，土壤微生物可以適當(dāng)減少降解富含碳的碳水化合物水解酶(如葡萄糖苷酶)的合成，并降低對(duì)碳水化合物的碳同化速率[55]。盡管在大多數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)較高的C∶(N/P) 比值導(dǎo)致微生物CUE降低[17, 37, 56]，但由于其他因素影響，不同研究的結(jié)果并不一致[28, 57-59]。研究結(jié)果表明，微生物在不同環(huán)境條件(如溫度、水分和pH)和養(yǎng)分限制狀況下采取不同的應(yīng)對(duì)策略，將能量用于細(xì)胞生長(zhǎng)、養(yǎng)分獲取或者脅迫應(yīng)對(duì)上，從而造成CUE的差異[60]。在研究C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征對(duì)CUE的影響時(shí)，也需要特別注意：微生物對(duì)于自然(或長(zhǎng)期)化學(xué)計(jì)量比與人為(或短期)養(yǎng)分添加改變化學(xué)計(jì)量比的響應(yīng)機(jī)制可能不同。短期CUE的改變可能在長(zhǎng)期環(huán)境中通過(guò)微生物群落結(jié)構(gòu)變化及相應(yīng)的生理適應(yīng)機(jī)制而減弱[61]。因此，在微生物CUE的研究中，需要特別注意其他環(huán)境條件及作用時(shí)間對(duì)于養(yǎng)分限制的協(xié)同機(jī)制。

通過(guò)胞外酶活性(EEA)的化學(xué)計(jì)量比判斷微生物有機(jī)質(zhì)或養(yǎng)分限制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[20]。由于微生物的獲取主要以分泌分解酶的途徑進(jìn)行，酶活性的化學(xué)計(jì)量比在物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中能起到調(diào)節(jié)元素循環(huán)和速率的作用。最常被用做酶化學(xué)計(jì)量比指標(biāo)的是如下4種酶：β-1,4-葡糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性/堿性磷酸酶(AP)[62]。當(dāng)前很多研究將BG∶(NAG+LAP)∶AP的比值與在全球尺度上平均活性比1∶1∶1進(jìn)行比較[63]，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值模型[64]從微生物養(yǎng)分獲取策略的角度判斷其養(yǎng)分限制特征，以研究其對(duì)微生物CUE的影響[65]。例如Zhai等[66]在不同鹽度的潮汐帶土壤中研究發(fā)現(xiàn)，磷限制而非碳限制對(duì)CUE有抑制作用。Cui等[22]通過(guò)建立一系列模型，發(fā)現(xiàn)綜合元素和酶活性化學(xué)計(jì)量比能夠更好地揭示微生物代謝的限制特征，并發(fā)現(xiàn)微生物的碳限制越高，其CUE越低，證實(shí)了化學(xué)計(jì)量特征的確對(duì)微生物資源分配有顯著的影響。Sinsabaugh等[46]通過(guò)比較土壤元素、微生物生物量、胞外酶活性及胞外酶活性與土壤元素的化學(xué)計(jì)量比值與微生物CUE之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)胞外酶活性C∶N是預(yù)測(cè)微生物CUE的最佳指標(biāo)；而胞外酶活性C∶P和微生物生物量C∶P亦與微生物CUE有非常顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。需要注意的是，通過(guò)在土壤懸濁液中添加底物測(cè)定酶活性的方法所得到的結(jié)果是酶活性潛勢(shì)，并不一定反映在土壤中實(shí)際發(fā)生的情況；且由于土壤胞外酶的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，其酶活性對(duì)短期養(yǎng)分變化響應(yīng)不明顯[67]。同時(shí)，Rosinger等[68]發(fā)現(xiàn)，外源碳添加刺激了真菌和細(xì)菌的生長(zhǎng)，但BG∶NAG的比率并未發(fā)生變化，因此沒(méi)有反映出碳的添加對(duì)碳限制的緩解作用。Mori[69]通過(guò)模型模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)纖維素(而非幾丁質(zhì)、肽聚糖和蛋白質(zhì))是最主要的碳源時(shí)，BG∶NAG才能反映碳、氮限制的相對(duì)變化。這表明，微生物在面對(duì)養(yǎng)分限制時(shí)的調(diào)控機(jī)制較為復(fù)雜，若干胞外酶的活性變化可能只能反映部分機(jī)理。因此在微生物有機(jī)質(zhì)或養(yǎng)分限制的判別方法上，還需要進(jìn)一步研究探索。

1.4 養(yǎng)分限制所引起的微生物群落結(jié)構(gòu)改變

作為應(yīng)對(duì)養(yǎng)分限制的另一個(gè)機(jī)制，改變微生物群落結(jié)構(gòu)，比如其物種構(gòu)成及多樣性[70]和細(xì)菌與真菌比率[71]通常發(fā)生相應(yīng)的變化，因?yàn)椴煌⑸镌趯?duì)養(yǎng)分的需求和獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力上相異，造成它們生態(tài)位的區(qū)別。土壤細(xì)菌和真菌是主要的異養(yǎng)微生物，它們被認(rèn)為在碳和養(yǎng)分循環(huán)及固持能力上有顯著差異[72]。通過(guò)經(jīng)典微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)不同微生物內(nèi)生稟賦的CUE有非常大的差異性[15]：K-策略的微生物生長(zhǎng)較慢，但是資源利用效率較高，通常有較高CUE，傾向于生活在養(yǎng)分缺乏的環(huán)境中，很多研究認(rèn)為真菌屬于此類微生物；相反，r-策略的微生物代謝速率更強(qiáng)，對(duì)養(yǎng)分要求更高，CUE較低，例如細(xì)菌[57, 61]。當(dāng)環(huán)境養(yǎng)分可利用性發(fā)生改變時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，物種尺度上不同的CUE反映在群落尺度上，可能表現(xiàn)為CUE的增大或者減小[73]。

微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)作等種間關(guān)系可能比多樣性本身對(duì)土壤群落功能有更重要的決定作用，并由此對(duì)CUE產(chǎn)生影響[74-75]。同質(zhì)環(huán)境中的直接競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)導(dǎo)致CUE降低，而土壤異質(zhì)性增加則有利于微生物之間的協(xié)作，提高有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的利用效率，從而促進(jìn)更高的CUE[73]，同時(shí)更有利于K-策略的微生物[76]。與純菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，由于不同環(huán)境下種間關(guān)系的復(fù)雜性，在土壤中真菌和細(xì)菌與碳源的利用優(yōu)勢(shì)度及CUE之間可能呈現(xiàn)不同的關(guān)系?；趯?duì)454個(gè)氮添加實(shí)驗(yàn)的Meta分析，Zhou等[77]發(fā)現(xiàn)氮的添加降低了真菌與細(xì)菌(F:B)的比率，但是提高了革蘭氏陽(yáng)性菌與陰性菌(G+∶G-)的比率；同時(shí)，一定程度氮的添加(< 100 kg/(ha·a))對(duì)微生物的生長(zhǎng)有正效應(yīng)。Guo等[78]研究有機(jī)質(zhì)添加對(duì)稻田土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)及微生物CUE的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤細(xì)菌而非真菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，土壤微生物CUE亦有顯著性變化，表明細(xì)菌在該條件下對(duì)微生物CUE起主導(dǎo)作用。還有多項(xiàng)研究結(jié)果表明：真菌與細(xì)菌(F∶B)值與CUE呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在真菌生物量更高時(shí)，CUE較低。如Silva-Sánchez等[58]在土柱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)土壤pH較高而N的養(yǎng)分更低時(shí)，細(xì)菌在與真菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系中表現(xiàn)為主導(dǎo)作用，此時(shí)微生物群落的CUE更高；當(dāng)細(xì)菌被低pH或者高無(wú)機(jī)氮抑制時(shí)，真菌的生物量和對(duì)碳底物的利用增大，但CUE更低。Soares等[57]在溫帶和亞寒帶的森林和農(nóng)田土壤中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量較高時(shí)，細(xì)菌在對(duì)碳源利用中占主導(dǎo)且CUE較高。Fitch等[79]對(duì)溫帶森林土壤的研究也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律；但他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，外生菌根的相對(duì)豐富度增加時(shí)，CUE也同時(shí)增加。這表明僅將微生物分為細(xì)菌和真菌兩組(或者依靠較高級(jí)的系統(tǒng)發(fā)育水平的分類)來(lái)判斷不同微生物對(duì)CUE的影響可能是不準(zhǔn)確的，因?yàn)榫哂邢嗨乒δ艿奈⑸镱惾和ǔＴ谙到y(tǒng)發(fā)育上是多樣化的，而同一分類下的菌株也可能具有不同的生理代謝特征[80]。

1.5 外源底物及養(yǎng)分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)(priming effect)

新鮮底物的輸入為土壤微生物提供了更多的能量和養(yǎng)分。由于新鮮底物(比如凋落物)的C∶N∶P遠(yuǎn)高于土壤有機(jī)質(zhì)，因此刺激微生物分解土壤中原有的有機(jī)質(zhì)以獲取氮和磷用于細(xì)胞生長(zhǎng)[81]。根據(jù)激發(fā)方向可分為正激發(fā)和負(fù)激發(fā)效應(yīng)。負(fù)激發(fā)效應(yīng)主要表現(xiàn)為：微生物優(yōu)先利用外源底物，或者微生物對(duì)有限養(yǎng)分的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致活性下降，從而降低了對(duì)土壤有機(jī)物的分解。短期負(fù)激發(fā)效應(yīng)可能伴隨之后的正激發(fā)效應(yīng)：當(dāng)外源底物的能量耗盡之后，生物量已有較大提高的微生物轉(zhuǎn)而分解土壤有機(jī)質(zhì)獲取能量和養(yǎng)分，從而促進(jìn)本土有機(jī)質(zhì)的分解[82]。激發(fā)效應(yīng)較高時(shí)，如果微生物受到養(yǎng)分限制，則有機(jī)碳分解更多分配于呼吸作用，CUE則較低[83]。添加外源氮磷養(yǎng)分時(shí)，微生物通過(guò)分解有機(jī)質(zhì)以獲取養(yǎng)分的需求減少，理論上而言可以降低外源有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)，并改變微生物對(duì)于外源底物的CUE。Liu等[84]探索了長(zhǎng)期施氮對(duì)易降解碳(葡萄糖)和難降解碳(苯酚)的激發(fā)效應(yīng)及CUE的影響，發(fā)現(xiàn)氮的添加降低了2種碳的激發(fā)效應(yīng)；但只增加了易降解碳的CUE。而Mehnaz等[32]通過(guò)添加不同種類的有機(jī)碳和磷的實(shí)驗(yàn)，則發(fā)現(xiàn)與假設(shè)相反，磷的添加增加了激發(fā)效應(yīng)而對(duì)CUE則沒(méi)有影響。這可能是由于單一養(yǎng)分添加更促使微生物從有機(jī)質(zhì)中獲取另一養(yǎng)分。Vain等[85]基于秸稈和復(fù)合養(yǎng)分添加的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有無(wú)養(yǎng)分添加的土壤中秸稈引起的激發(fā)效應(yīng)相似，但無(wú)養(yǎng)分添加的土壤中秸稈添加導(dǎo)致更高的呼吸作用，即更低的CUE。他們認(rèn)為，低養(yǎng)分土壤的激發(fā)效應(yīng)可能是通過(guò)刺激K-策略的微生物生長(zhǎng)并分解有機(jī)質(zhì)獲得的。養(yǎng)分添加所帶來(lái)的有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)高低和對(duì)CUE的影響及土壤酸化亦有關(guān)系，相比糞肥，礦質(zhì)氮的施入導(dǎo)致土壤酸化，可能使其CUE降低而激發(fā)效應(yīng)升高，因此不利于土壤長(zhǎng)期碳固持[86]。綜上，外源底物及養(yǎng)分添加帶來(lái)一系列效應(yīng)，如養(yǎng)分相對(duì)比例的不平衡，土壤理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化均可以對(duì)激發(fā)效應(yīng)和CUE產(chǎn)生影響。而具體的影響因素可能與底物、養(yǎng)分和土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量有很大關(guān)系[87]，其機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

2 影響CUE的其他間接因素

如前所述，當(dāng)研究養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征對(duì)微生物CUE的影響時(shí)，常常得到不一致的結(jié)果。這表明，養(yǎng)分對(duì)于微生物群落結(jié)構(gòu)及生理活性的影響同時(shí)受到其他一系列因素，比如土壤溫度和濕度、植被類型或土地利用方式、土壤理化性質(zhì)等的聯(lián)合作用。這些影響因素對(duì)CUE的影響機(jī)制復(fù)雜，本文只側(cè)重于討論它們通過(guò)影響有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分而對(duì)CUE產(chǎn)生的間接作用。目前，不同控制因素之間的交互作用對(duì)CUE的影響研究尚處于探索階段，需在未來(lái)結(jié)合更多研究成果得到更系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。

2.1 土壤溫度和濕度

土壤溫度和濕度等由氣候調(diào)控的因子被廣泛認(rèn)為是微生物生理學(xué)(例如呼吸和生長(zhǎng))的主要控制因素。前人研究發(fā)現(xiàn)，微生物CUE隨溫度的升高而降低，總體呈現(xiàn)溫帶比熱帶高的特征[88]。高溫加速微生物活性，提高養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率，促進(jìn)土壤呼吸作用[89]，并導(dǎo)致底物消耗和營(yíng)養(yǎng)限制[90]，從而降低微生物生長(zhǎng)和CUE。熱帶土壤中有機(jī)質(zhì)含量和生物可利用性均更低，造成CUE在氣候帶之間的差異[13, 91]。而土壤濕度則更多地通過(guò)影響氧氣擴(kuò)散，從而改變微生物代謝有機(jī)碳的途徑和能量的獲取效率，進(jìn)而影響CUE[92]。Ullah等[93]發(fā)現(xiàn)，季節(jié)比干旱對(duì)澳大利亞草地土壤微生物CUE的影響更大，而CUE的最高值出現(xiàn)在濕潤(rùn)的冬季而非干旱的夏季，主要機(jī)制是季節(jié)變化對(duì)于微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。Domeignoz-Horta等[94]接種不同的微生物群落到滅菌土壤中并控制土壤溫度和濕度，發(fā)現(xiàn)盡管群落結(jié)構(gòu)是最重要的CUE影響因子，溫度和濕度調(diào)控微生物多樣性與CUE之間的關(guān)系，但是CUE僅在土壤高濕度時(shí)與微生物多樣性有正相關(guān)關(guān)系。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)類型及土地利用方式

不同生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式，植被類型和凋落物輸入也不同。通過(guò)植物—根系—微生物—土壤動(dòng)物相互影響的網(wǎng)絡(luò)對(duì)水分、養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、礦物組成等一系列土壤因素有復(fù)雜的作用[49, 95]。強(qiáng)烈的人為干擾進(jìn)一步塑造了不同土地利用方式中土壤特性和功能特征。所有這些因素直接或者間接地改變了土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)和固持特征[82]。從有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分角度而言，如下3種機(jī)制可能對(duì)微生物CUE的影響較大：1)植被類型及多樣性、不同凋落物及其他外源有機(jī)質(zhì)的輸入，有機(jī)質(zhì)的總量和質(zhì)量有差異[96-97]；2)植物地下碳的分配方式[98]和根系分泌物[99-100]的不同；3)人為施肥和其他土地管理方式改變了土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比。盡管不少研究報(bào)道了土地利用方式對(duì)于微生物生長(zhǎng)和CUE的影響[101-102]，亦有研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物CUE更多受到溫度和濕度等環(huán)境因子的控制，不同生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式對(duì)CUE的影響相對(duì)較小[103]。

2.3 土壤理化性質(zhì)

土壤pH、粘土礦物、鐵鋁氧化物形態(tài)和團(tuán)聚體構(gòu)成等土壤理化性質(zhì)改變了土壤養(yǎng)分的有效性和微生物可獲取程度，從而改變了土壤微生物養(yǎng)分供給，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和CUE產(chǎn)生影響。Zhang等[104]在對(duì)不同pH土壤添加不同底物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH和底物質(zhì)量均對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生作用，土壤CUE隨著pH值的增大而升高。他們認(rèn)為這是由于pH對(duì)細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的塑造作用所引起的。Silva-Sánchez等[58]將較高pH的土壤其微生物CUE較高歸結(jié)為土壤細(xì)菌的主導(dǎo)地位。Malik等[105]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pH接近中性時(shí)，微生物CUE最大，最利于土壤有機(jī)碳固持。低pH條件下更高的鋁含量也被認(rèn)為是低CUE的原因之一，因?yàn)楦嗟哪芰勘环峙溆诮档臀⑸锏匿X脅迫[59]。不少研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面深度對(duì)微生物CUE亦有明顯影響，大多數(shù)研究認(rèn)為這是由于不同土壤剖面底物和養(yǎng)分含量差異造成的。但研究所得到的規(guī)律并不一致：Spohn等[106]發(fā)現(xiàn)，森林土壤的CUE不受土壤剖面影響，而草地土壤的CUE則隨深度增加而降低。而Li等[107]和Zhran等[108]分別在濕地、草地、森林土壤和長(zhǎng)期施肥的水稻田土壤中研究均發(fā)現(xiàn)CUE隨土壤深度的增加而增加。

3 研究前景

由于新研究技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于微生物CUE的研究近幾年來(lái)迅速發(fā)展，在生態(tài)系統(tǒng)碳輸入—微生物固碳—土壤碳貯存之間架起了一座橋梁，成為研究生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存潛力和調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要更好地通過(guò)CUE指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)和土地管理，促進(jìn)土壤固碳，仍然有一些亟待解決的機(jī)制和一系列需要回答的科學(xué)問(wèn)題。

首先，土壤微生物CUE測(cè)定方法一般分為13C或3H-底物標(biāo)記法、18O-水標(biāo)記法、熱量測(cè)量比法、代謝通量分析法和化學(xué)計(jì)量學(xué)模型法[25]。這些方法的應(yīng)用基于不同假設(shè)，對(duì)微生物代謝特征的不同方面各有側(cè)重[109]。如13C或3H-底物標(biāo)記法采用生物易利用碳，導(dǎo)致CUE偏高，并不能反映環(huán)境中微生物對(duì)真實(shí)底物的利用[16]。13C或3H-底物和18O-水2種標(biāo)記法只能用于短期培養(yǎng)，無(wú)法考察微生物周轉(zhuǎn)和評(píng)估微生物長(zhǎng)期碳利用效率[106]。熱量測(cè)量法需要微生物生物量和底物碳的氧化狀態(tài)等信息用于計(jì)算[92]。代謝通量分析法無(wú)法計(jì)量微生物周轉(zhuǎn)的影響及分泌物的去向[110]?；瘜W(xué)計(jì)量法計(jì)算所需的微生物胞外酶活性和微生物生物量的碳氮比等參數(shù)需要有大量數(shù)據(jù)，但未涉及微生物代謝過(guò)程，僅可視為CUE的代用指標(biāo)，主要用于模型評(píng)估[46]。Geyer等[109]通過(guò)應(yīng)用上述方法對(duì)同一土壤微生物CUE進(jìn)行估測(cè)，測(cè)定結(jié)果有較大差異：其中不使用特定底物的18O法和化學(xué)計(jì)量學(xué)模型法所得CUE較低(< 0.4)，而使用特定底物的13C-3H法、熱量測(cè)量法和代謝通量分析法所得數(shù)值較高(> 0.6)。這為研究CUE與其他不同測(cè)定方法對(duì)比，尤其是對(duì)大數(shù)據(jù)整合和模型模擬帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

其次，微生物CUE研究的另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自當(dāng)前研究中的生態(tài)學(xué)尺度和時(shí)間尺度的不整合。如前所述，CUE的概念可能涉及某種微生物生理特性、某些微生物之間的種間關(guān)系，或是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)尺度的微生物群落有機(jī)碳代謝特征。從微觀生理到宏觀生態(tài)尺度的調(diào)控機(jī)制和影響因子相異。另外，短期實(shí)驗(yàn)主要反映的是微生物對(duì)環(huán)境變化的短期反應(yīng)，可能不同于微生物適應(yīng)新環(huán)境條件后所表現(xiàn)的長(zhǎng)期響應(yīng)機(jī)制；在不同時(shí)間尺度下，碳在不同代謝過(guò)程中的分配方式不同，從而影響CUE的大小。因此，需要分析不同研究的生態(tài)尺度和時(shí)間尺度，明晰在不同尺度下所需要回答的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)尺度碳循環(huán)和儲(chǔ)存的模型需要建立在更細(xì)致的尺度上考察底物資源、養(yǎng)分生態(tài)計(jì)量的限制、微生物群落的組成和生理代謝特性，闡明不同尺度下微生物碳轉(zhuǎn)化過(guò)程及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，以預(yù)測(cè)整個(gè)微生物群落的CUE[111]。

第三，微生物CUE決定了土壤微生物將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生物量的效率，而微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要貢獻(xiàn)者，微生物殘?bào)w的穩(wěn)定性決定了土壤碳固持的長(zhǎng)久性[10]。因此，要闡明何種機(jī)制及哪些影響因素可能影響、調(diào)控和增加土壤碳庫(kù)時(shí)，需要將CUE的提高和微生物殘?bào)w的穩(wěn)定作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮。同時(shí)，需要在研究中納入多影響因素的交互作用并開(kāi)展短期和長(zhǎng)期研究，以揭示在多個(gè)時(shí)間尺度上不同影響因素對(duì)微生物CUE及微生物殘?bào)w穩(wěn)定性影響的主導(dǎo)因素差異。

最后，氣候變化有可能改變森林生態(tài)系統(tǒng)中影響碳儲(chǔ)存的植物和土壤過(guò)程。土壤微生物有機(jī)質(zhì)呼吸作用的提高，可能造成土壤碳庫(kù)損失的風(fēng)險(xiǎn)[94]。研究氣候變化對(duì)微生物CUE的影響有助于判斷微生物調(diào)節(jié)土壤碳動(dòng)態(tài)的主要響應(yīng)機(jī)制：例如微生物群落組成改變對(duì)碳轉(zhuǎn)化過(guò)程溫度敏感性的影響、微生物對(duì)限制性養(yǎng)分的開(kāi)發(fā)和利用效率及微生物利用有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中碳氮磷循環(huán)間的耦合關(guān)系等。闡明微生物介導(dǎo)的反饋對(duì)于理解生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變暖的反應(yīng)至關(guān)重要，并將為氣候變化碳排放和儲(chǔ)存建模提供理論基礎(chǔ)，也為通過(guò)人為管理促進(jìn)養(yǎng)分利用效率，從而進(jìn)一步提高土壤固碳潛力提供科學(xué)指導(dǎo)。