陈晓琳，吴福忠,2，岳楷,2，倪祥银,2*

（1.福建师范大学 a. 地理科学学院，b. 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福州 350117；2. 福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站，福建 三明 365002）

森林土壤中蕴藏着极其丰富的微生物群落，它们对于支撑森林生态系统生物地球化学过程至关重要[1]。在气候变暖的趋势下，极端干旱和降雨天气的增加都会改变土壤水分的可利用性[2-3]，进一步影响土壤微生物生物量和群落组成[4-5]。因此，探究降水改变对森林土壤微生物群落的影响，对预测未来全球气候变化背景下森林土壤微生物群落变化及其介导的生物地球化学过程具有重要意义。不同的土壤微生物类群对外界胁迫有着不同程度的耐受性和生理代谢活动[6]，使其对降水改变引起的土壤水分变化产生差异性响应[7]。例如，真菌拥有能调节渗透压的溶质和能够触及基质的菌丝，通常被认为比细菌更能承受干旱胁迫[8-9]。也有研究指出，细菌对外界胁迫有较强的恢复力[6]。例如，革兰氏阳性菌拥有坚固的肽聚糖细胞壁，对干旱环境有较强的耐受性[10]。降水改变对微生物群落影响的方向和程度还取决于当地的干湿条件[9]。增加降水使微生物代谢和酶活性增强，有利于微生物生物量的增加。但对于干旱地区而言，增加降水造成的土壤水势变化也可能使微生物细胞受到渗透冲击而消融[11]；减少降水则会影响干旱地区植物的活性，不利于真菌共生体存活导致土壤真菌生物量降低[12]。尽管目前已有关于降水变化影响土壤微生物生物量的研究[3,13]，但对于微生物群落如何响应降水改变以及这些响应在不同的干湿条件下有何差异仍存在较大的不确定性[14-15]。此外，土壤微生物群落对降水变化的响应还可能受降水处理、气候条件和土壤因子的调控。研究发现，高强度的降水可能会降低土壤含氧量，进而抑制微生物活性[13]；由于高温对土壤不稳定基质和土壤湿度的负面影响，更高的年均温度可能会降低微生物对降水改变的响应[13]；而较高浓度的土壤养分可能在一定程度上缓和降水减少造成的微生物内部水势变化，以避免其脱水和死亡[5]。然而，不同干湿条件下微生物群落对降水变化的响应主要受什么因素的调控，仍需要进一步研究。因此，基于磷脂脂肪酸（PLFAs）生物标志物的方法，分析了全球森林土壤微生物群落对降水改变的响应及其在干旱地区和湿润地区之间的差异。

1 研究方法

1.1 数据收集

通过Web of Science和中国知网收集2021年10月之前发表的经过同行评议的期刊论文。Web of Science数据库检索的关键词为“altered/increased/decreased precipitation”“water reduction/addition”“drought”和“PLFA”“phospholipid fatty acid”“microbial community”“microbial biomass”和“forest”。中国知网数据库检索的关键词为“土壤微生物”和“降雨、降水、干旱、减少降水”和“森林”。

检索的文献按以下标准进行筛选：1）通过磷脂脂肪酸（PLFAs）法而不是氯仿熏蒸法测定的微生物生物量；2）只收集森林土壤的数据，其他生态系统的数据未纳入数据集；3）所有数据必须严格配对，即对照与增加降水或减少降水；4）对于多因子处理实验，只选取对照与降水处理，其他因子未纳入数据集。共筛选出27篇文献，共有来自23个实验点的109对配对数据（表1）。

对于每项研究，提取处理组和对照组的平均值、标准差（SD）和样本量。如果只有标准误（SE），则用公式计算出标准差。当数据以图的方式呈现时，使用GetData软件对数据进行数字化以提取数值。同时，提取出降水处理（增加降水或减少降水、降水改变的强度和持续时间）、地理信息（纬度、经度）、气候因子（年均降雨量（MAP）、年均气温（MAT））和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）的数据。

此外，还利用世界气象组织提供的数据库计算了各研究地点采样年份的帕尔默干旱指数（PDSI）[14]。根据计算得到的PDSI值区分干旱或湿润地区，PDSI值大于0的实验点为湿润地区，小于0的为干旱地区。

1.2 数据分析

使用效应值（RR）来评估森林土壤微生物群落对降水改变的响应，并计算加权效应值（RR++）[34]。

表 1 文献中的实验地点信息Table 1 Experimental site information in the literature

为了判定降水处理对土壤微生物群落的影响是否具有显著性，采用Metawin软件的随机效应模型来计算平均效应值和经过999次迭代计算的95%Bootstrap置信区间。如果置信区间没有跨越0（均为正值或负值），则认为这种响应具有显著性差异（P<0.05），反之则不显著。另外，通过下面公式把平均效应值转化为百分数：

[e（RR++）-1]×100%

本研究使用Wilcoxon秩和检验分析干旱地区和湿润地区土壤微生物PLFAs的加权效应值之间的差异显著性。采用偏最小二乘（PLS）回归模型来获得干旱地区和湿润地区降水处理（降水改变的强度、持续时间）、气候因子（年均降雨量、年均气温、帕尔默干旱指数）和土壤因子（碳含量、氮含量、碳氮比、pH值）这9个变量的变量重要性值（VIP）。变量重要性值被用来评估这些变量对总PLFAs效应值的影响强度和解释能力，当VIP值大于1表示影响显著（P<0.05）。采用一般线性模型检验土壤总PLFAs的效应值与其主要的调控变量之间的相关性。统计检验的显著性水平为0.05。利用SIMCA14.1和R4.0.2进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 森林土壤微生物群落对降水改变的响应

注：误差线代表经过999次迭代计算的95%Bootstrap置信区间。图中虚线表示平均效应值为0。右侧括号内的数字表示样本量。 图2同。图 1 森林土壤微生物群落对增加降水（a）和减少降水（b）的响应Figure 1 Responses of the microbial community to elevated （a） and decreased（b） precipitation in forest soils

图 2 干旱地区和湿润地区森林土壤微生物群落对增加降水（a）和减少降水（b）的不同响应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、细菌和总PLFAs分别显著增加22%、33%和30%，使革兰氏阳性菌/阴性菌比值显著降低4%，但对真菌/细菌比值、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌PLFAs均没有显著影响（图1a）。减少降水使真菌和总PLFAs分别显著降低18%和8%，使革兰氏阳性菌/阴性菌比值显著提高6%，但对细菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌PLFAs和真菌/细菌比值均没有显著影响（图1b）。

2.2 干旱地区和湿润地区之间的差异

真菌、细菌和总PLFAs对降水改变的响应在干旱地区和湿润地区具有差异（图2）。增加降水显著增加了湿润地区和干旱地区的总PLFAs、湿润地区的真菌PLFAs、干旱地区和湿润地区的细菌PLFAs，对湿润地区森林土壤真菌、细菌和总PLFAs的影响均大于干旱地区，其中干旱地区和湿润地区真菌PLFAs对增加降水的响应有显著差异（P=0.047）（图2a）。

减少降水显著降低了干旱地区森林土壤真菌PLFAs，且在干旱地区的影响显著大于湿润地区（P=0.010），但对细菌和总PLFAs的影响不明显（图2b）。

2.3 干旱地区和湿润地区土壤微生物群落响应的调控因素

2.3.1影响干旱地区总PLFAs响应的重要因素

PLS模型结果表明，在增加降水的处理下，干旱地区总PLFAs的响应在很大程度上取决于土壤碳含量、年均气温、年均降雨量、土壤pH值和土壤氮含量（图3a）；其中增加降水强度和年均气温均与总PLFAs的效应值呈负相关（P>0.05）（图3b～图3c）。在减少降水的处理下，干旱地区总PLFAs的响应很大程度上取决于年均降雨量、年均气温和减少降水的强度（图3d）；总PLFAs的效应值与年均降雨量正相关（P<0.05），与年均气温负相关（P<0.05）（图3e～图3f）。

2.3.2 影响湿润地区总PLFAs响应的重要因素

PLS模型结果表明，湿润地区总PLFAs对降水改变的响应很大程度上取决于降水改变的强度（图4）。在增加降水的处理下，湿润地区总PLFAs的响应主要受增加降水的强度和土壤碳氮比的影响（图4a），随着增加降水强度的上升，总PLFAs的效应值显著下降（P<0.05）（图4b）；在减少降水的处理下，湿润地区总PLFAs的响应很大程度上取决于减少降水的强度、帕尔默干旱指数和土壤碳氮比（图4c）；总PLFAs的效应值与减少降水的强度呈正相关关系（P<0.05），与帕尔默干旱指数呈负相关关系（P<0.05）（图4d～图4e）。

注：（a,b,c） 影响增加降水处理下总PLFAs响应的重要变量，（d,e,f） 影响减少降水处理下总PLFAs响应的重要变量。Intensity，降水改变的强度；Duration，处理持续时间；PDSI，帕尔默干旱指数；MAP，年均降雨量；MAT，年均气温；pH，土壤pH值；N，土壤氮含量；C，土壤碳含量；C/N，土壤碳氮比；根据修正后的Akaike信息标准估计变量重要值，深色变量（VIP>1）表示影响显著（P<0.05）。R值为皮尔逊相关系数的大小，即两个变量共变性的程度；P值表示拟合结果的显著性，P<0.05时表示显著相关；阴影为95%置信区间。下同。图 3 影响干旱地区总PLFAs对降水变化响应的重要变量Figure 3 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in arid areas

注：（a,b） 影响增加降水处理下总PLFAs响应的重要变量，（c,d,e） 影响减少降水处理下总PLFAs响应的重要变量。图 4 影响湿润地区总PLFAs对降水变化响应的重要变量Figure 4 Important variables affecting the response of total PLFAs to precipitation changes in humid areas

3 讨论

森林土壤微生物群落对增加降水和减少降水有不同方向和程度的响应主要有以下几方面的原因。第一，增加降水会提高土壤中溶质的可利用性，为微生物生长和繁殖提供了可利用的养分[35]。本研究发现增加降水显著提高了真菌、细菌和总的PLFAs（图1a），进一步证实了上述观点。第二，减少降水降低了总PLFAs和真菌PLFAs，却没有对细菌PLFAs产生显著影响（图1b）。这与真菌比细菌具有更高耐旱性的已有认识不同[10]。也有研究表明，干旱对真菌的影响大于细菌[8,14]。这可能是细菌有一定的抗旱性，干旱对细菌的影响仅存在于属的水平[14]。在干旱条件下活跃的细菌占据了主导地位，比如革兰氏阳性菌，进而缓冲干旱所带来的负面影响[9,15]。第三，增加降水和减少降水并没有改变真菌/细菌比值，这与Zhang等[36]进行的4年增雨实验和Cregger等[12]进行的短期干旱实验结果相同。由于微生物群落组成对降水改变的适应，微生物对短期的干旱和相对湿润的条件都有一定的自我调节能力[37]。

森林土壤微生物群落对降水改变的响应很大程度上受区域干湿条件的影响：增加降水对湿润地区的土壤微生物群落影响更大，减少降水对干旱地区的土壤微生物群落影响更大（图2）。土壤微生物有很强的自我调节机制，能通过调节自身代谢来适应土壤水势变化[2]，但由于干旱地区土壤的湿度较低，增加降水给土壤带来的重湿润过程会造成水势的快速变化，引起细胞破裂[11]。同时，由于微生物在干旱时期会进入休眠状态，在增加降水后，土壤微生物对增加降水的积极响应也有所延迟[38]，因而森林土壤PLFAs对增加降水的正响应在湿润地区比干旱地区更加明显（图2a）。增加降水并没有增加干旱地区的土壤真菌PLFAs，这可能是由于真菌没有坚硬的细胞壁来抵抗水势的快速变化[2]。减少降水对干旱地区和湿润地区土壤总PLFAs均没有显著影响，且在湿润地区，随着减少降水的强度增大，微生物的负面响应反而减小（图4d）。这可能是由于土壤湿度的轻微变化没有达到微生物的耐受阈值[24]，也可能是由于真菌和细菌的内部竞争减小[37]，一定程度上缓解了减少降水带来的负面影响。减少降水使微生物在高水势下启动生理适应策略，包括碳分配（更少用于繁殖，更多用于生存），合成大量可溶性有机物以降低渗透压，休眠和分泌胞外酶等，严重时还会导致细胞脱水死亡[2]。在减少降水的处理下，干旱地区的微生物相对于湿润地区会有更高的水势，因此可能造成更多的微生物脱水死亡。此外森林土壤的微生物群落组成在一定程度上受土壤pH值的影响，降水的减少可能会提高土壤pH值[39]，不利于微生物（尤其是真菌）的生存[40]。同时，干旱地区土壤长期缺水还会导致根系死亡率和铵盐的增加，都会抑制真菌生长[41]，因而减少降水对干旱地区真菌PLFAs的影响显著大于湿润地区（图2）。

本研究还发现，森林土壤总PLFAs对降水改变的响应同时受到降水改变的强度、气候和土壤因子的调控，且在干旱地区和湿润地区表现出明显的差异。干旱地区主要受气候因子的影响，包括年均气温和年均降水量。从全球尺度上看，温度并不是影响土壤微生物生物量地理分布格局最显著的预测因子，温度可能通过影响蒸散和分解速率间接影响微生物生物量[42]，较低的气温不利于森林凋落物的分解和土壤水分的蒸散。因此对于缺水的干旱地区来说，较低的气温可能有利于增加降水处理下土壤对水分的保存并降低降水减少的负面影响。年均降雨量与土壤PLFAs响应之间的关系可能间接地来源于植物凋落物输入对年均降雨量变化的响应。由于地上净初级生产力对降水改变的敏感性与年均降雨量负相关[43]，土壤微生物因此受到基质可利用性的限制。湿润地区总PLFAs对降水改变的响应主要受降水改变强度的影响，总PLFAs响应值与增加降水的强度之间呈负相关关系，与减少降水的强度呈正相关关系。这可能是由于湿润地区本来就有较高的土壤含水量，高强度的降水导致土壤可用的孔隙空间被填充，降低了需氧微生物生长所必需的氧气水平[44]。相反，一定程度的干旱可能会减少微生物的内部竞争，有利于微生物的生长[37]。湿润地区总PLFAs的效应值与PDSI之间的负相关关系说明，高湿度地区的微生物对降水减少更为敏感，可能造成微生物生物量的减少[13]。

4 结论

本研究发现增加降水显著增加了森林土壤的真菌、细菌和总PLFAs，减少降水显著降低了真菌和总PLFAs。土壤PLFAs的响应在不同干湿条件下有所区别，具体表现为增加降水在湿润地区的影响更大，而减少降水在干旱地区的影响更大。此外，降水改变的强度、气候和土壤因子共同驱动着森林土壤微生物群落对降水改变的响应，它们的重要性在干旱地区和湿润地区存在很大差异。因此，在评估降水改变对土壤微生物群落的影响时，需进一步评估当地的干湿条件，结合当地降水改变的强度、气候条件、土壤因子，以分离干旱地区和湿润地区森林土壤微生物群落对降水改变的差异性响应，更加清晰地认识全球变化情景下土壤微生物介导的生物地球化学过程。