全球變暖背景下土壤微生物呼吸的熱適應性：證據、機理和爭議
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來源：《生態學報》2018 年01 期
作者：沈瑞昌１，２，３，４，徐明５，方長明２，陳家寬２
單位：1.南昌大學生命科學研究院流域生態學研究所 2.復旦大學生物多樣性科學研究所 3.南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室 4.江西鄱陽湖濕地生態系統國家定位觀測研究站 5.中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網路觀測與模擬重點實驗室
隨著全球變暖影響的不斷加深和巴黎氣候協議的正式生效，共同控制和減緩全球變暖的危害已經成為全人類的共識 。為制定合理的減排政策，人們迫切需要準確模擬和預測全球變暖與地球生態系統間的相互影響。陸地生態系統對全球變暖的反饋作用作為其中的關鍵過程，也成為目前生態學研究的熱點 。長期以來，人們普遍認為土壤呼吸將隨著溫度升高而持續地增長，從而對全球變暖產生正反饋。這一機制廣泛運用於現有的各類地球系統模型，使人們對21 世紀末全球氣溫的預期提高了近1.5℃ 。
但是，許多野外長期加熱實驗沒有支持該機制，因為增溫措施對土壤呼吸的促進作用並不持久。這些結果引起了學術界的激烈討論。一種觀點認為加熱效應降低是由增溫的間接作用引起，如增溫樣地內易分解碳的降低限制了升溫對微生物呼吸的促進作用。同時，部分學者認為這一現象還可能與微生物呼吸的「熱適應性」有關 。它是指氣候變暖后土壤微生物主動降低生理活性以提高其在高溫環境中的適宜度，從而減緩表觀土壤呼吸量的上升 。也就是說，土壤微生物群落不僅僅會被動響應全球變暖，而且還會主動改變自己以適應高溫環境 。
考慮到土壤碳庫對全球氣候變暖過程的巨大影響，生態學家在最近20 年間對土壤微生物呼吸的熱適應性進行了大量研究，但是他們對土壤微生物呼吸的熱適應性是否真實存在還有分歧。
一些學者認為土壤微生物呼吸的熱適應性建立在經典生物學的熱適應性理論之上，有著堅實的分子調控和酶活性基礎 。他們也嘗試在野外加熱或室內培養等實驗中尋找土壤微生物呼吸熱適應性的直接證據。事實上，採用單位土壤微生物量的呼吸量等指標，人們已經證明森林 、草地和近北極荒地等生態系統的土壤微生物物種或群落的呼吸作用能夠表現出明顯的熱適應性。
然而，還有許多學者不認同或在實驗中未發現土壤微生物呼吸的熱適應性。例如Schindlbacher 等發現9 年的４℃增溫沒有使奧地利成熟森林的土壤微生物呼吸表現出熱適應性。千差萬別的結果制約著人們對土壤微生物呼吸熱適應性的認識，也妨礙了人們對陸地生態系統反饋作用的模擬。
本文試圖綜合現有的文獻，總結土壤微生物呼吸熱適應性相關的概念、理論和實驗證據、機理以及爭議，分析引起爭議的原因，並指出未來的重點研究方向，為預測未來的氣候變化趨勢以及制定區域和全球的溫室氣體排放政策提供理論依據。
1 土壤微生物呼吸熱適應性現象與概念
土壤微生物呼吸熱適應性的想法來源於長期野外觀測實驗中生態系統呼吸及土壤呼吸的熱適應性 。
例如，Oechel 等指出由於氣溫的升高（平均每年增0.05℃）阿拉斯加北極極地地區從1980 年代開始由碳匯轉變為碳源，但是其碳源強度逐漸減小，並在1992 年之後的夏季又轉為碳匯。作者認為這一現象可能與生態系統的熱適應性有關。
Luo 等發現經過1 年的～2℃增溫後草地生態系統的土壤呼吸沒有明顯增加，他們將其歸因於土壤呼吸熱適應性引起的溫度敏感性下降。雖然這些研究能否真正反映生態系統或土壤呼吸的熱適應性還存在爭議，但是土壤微生物呼吸作為生態系統呼吸及土壤呼吸的重要組成部分，其熱適應性還是因此受到了廣泛關注 。
隨著土壤微生物呼吸熱適應性研究的深入，人們對它的概念產生了兩種不同的理解，即表觀熱適應性與內在熱適應性 。一些學者將長期實驗中增溫不再促進土壤微生物呼吸這一現象統稱為土壤微生物呼吸的熱適應性。不過，這種現象只是一種表觀的熱適應性，引起它的因素非常多。
長期加熱措施既可以對土壤微生物群落產生直接效應，降低土壤微生物的生理活性；還可以通過改變土壤有機質、水分和營養元素等方式間接地降低土壤微生物群落的呼吸作用。事實上，生物學上的適應性往往指生物通過調整自身組成或結構以提高其適宜度的現象，它顯然不包括加熱的間接作用。因此，部分學者僅將實驗增溫對土壤微生物群落產生的直接效應，即土壤微生物通過調整自身的生理活性使呼吸作用下降的現象稱之為土壤微生物呼吸的熱適應性。這就是所謂的土壤微生物呼吸內在熱適應性。在沒有特別指明的情況下，本文所提及的熱適應性均特指內在熱適應性。
生物的熱適應性通常被區分為兩種類型：馴化和適應。前者指生物通過改變其生理特徵和表型可塑性來適應外界溫度變化；而後者表示生物通過基因型的改變來適應溫度變化 。通過對微生物菌株的培養分析，科學家們發現微生物的熱適應性也存在著這兩種類型。然而土壤微生物群落極其複雜，其中99％的微生物物種至今都不能被培養 。人們很難知道土壤微生物群落通過何種方式適應高溫環境。本文在此並不嚴格區分這兩種熱適應方式，這裡的熱適應性指的是兩種熱適應方式的綜合效應。
2 土壤微生物呼吸熱適應性的理論與實驗證據
土壤微生物呼吸的熱適應性實質上是土壤微生物功能在群落尺度上對環境溫度變化的適應性，有著深厚的生物學和生態學基礎。通過對微生物模式物種（大腸桿菌）或其它菌株的培養，科學家們很早就發現微生物能夠通過改變自身生理和遺傳特徵降低生理活性以提高其在高溫環境中的適宜度 。
例如，恆黏適應理論認為微生物能夠通過改變生物膜結構（脂肪酸長度、不飽和鍵和支鏈數目等）以提高基質利用效率和降低生理活性；生活於不同溫度下的微生物能產生不同活性的同工酶，從而使生物酶的催化效率在環境溫度下達到最優；不同溫度下培養的微生物菌株能夠產生和積累大量的基因突變，從而使其呼吸作用下降 。
土壤微生物群落也可以通過調整其生長速度產生熱適應性。例如，Bárcenas-Moreno 等 、Rousk 等以及Birgander 等的研究以土壤微生物群落最佳或最低生長溫度為指標證明了土壤微生物生長速率的熱適應性。此外，許多研究表明動植物呼吸作用也能夠表現出熱適應性 。
上述理論基礎只是一些間接證據，科學家們還試圖找到土壤微生物呼吸熱適應性的直接實驗證據。參考傳統研究方法，學者們也通過分離培養途徑分析了許多土壤微生物物種（以各類真菌物種為主）呼吸作用的熱適應性，並得到了正面的結果。
例如，Lange 和Green 發現5 種地衣真菌的呼吸作用展示了對季節溫度變化的熱適應性，夏季和冬季的Cladonia convoluta同樣放在５℃下培養時其呼吸作用相差數10 倍，但在各自環境的室溫培養時其呼吸作用幾乎相當。
Heinemeyer 等報道稱，剛開始時６℃ 加熱使叢枝菌根菌Glomusmosseae 的呼吸作用明顯增加，但是兩星期後其呼吸速率與對照的差異變得不顯著，單位菌絲的呼吸量則下降37.5％，顯示該菌株的呼吸作用具有熱適應性。
Malcolm 等對12 種菌根真菌進行培養，發現其中3 種真菌能夠在7 ｄ 之內就表現出明顯的熱適應性，因為高溫（23℃）培養菌株在同一溫度下比低溫（11 或17℃）培養菌株的呼吸作用要低20％—45％。
Crowthe 和Bradford 則發現5 種廣泛分布的腐生真菌能夠在溫度變化10ｄ 之內表現出呼吸作用的熱適應性。
有些研究嘗試理解土壤微生物群落呼吸作用的熱適應性，其難點在於如何消除其它因子對微生物群落呼吸作用的影響。土壤微生物呼吸的表觀熱適應性不僅與土壤微生物呼吸內在熱適應性有關，還可能與加熱引起的各類間接因素有關。只有去除土壤微生物的基質限制等間接因素才能反映土壤微生物呼吸的內在熱適應性。
Bradford 等認為當基質供應充足時單位微生物量的呼吸量（Substrae Rmass）的下降可以指示內在熱適應性。因為Substrae Rmass 能夠排除土壤基質和微生物量的不同對微生物呼吸的影響，從而突出土壤微生物呼吸的內在熱適應性。運用這一指標，Bradford 等發現15 年的５℃加熱措施已經使美國哈佛森林土壤微生物群落的呼吸作用表現出熱適應性。Bradford 等的結果表明在高溫下培養77ｄ 後森林土壤微生物群落的Substrae Rmass 顯著下降。
根據土壤微生物呼吸?溫度曲線的形式，參考植物呼吸熱適應性類型，Bradford 等還提出了三類不同的土壤微生物呼吸熱適應性類型。它們分別為溫度敏感性降低（第Ｉ類），微生物呼吸整體性降低（第Ⅱ類）和呼吸溫度曲線向右遷移而引起的呼吸降低（第Ⅲ類）。前兩類熱適應性可以發生在單個微生物細胞層面上，第Ⅲ類熱適應性主要由土壤微生物群落結構變化引起。
目前多數研究都報道的是第Ｉ類熱適應性 ，少數文獻也發現了第Ⅱ類熱適應性。研究表明第Ｉ和第Ⅱ類熱適應性在出現時間和適應程度上有所差別。第Ｉ類熱適應性相較於第Ⅱ類熱適應性出現的時間較早，但第Ⅱ類熱適應性降低生理活性的能力比第Ｉ類熱適應性更強烈 。第Ⅲ類熱適應性雖然沒有被直接報道，但是它或許可以解釋部分實驗中加熱樣地土壤呼吸溫度敏感性高於對照樣地的結果 。
3 土壤微生物呼吸熱適應性的機理
為建立和完善土壤微生物呼吸熱適應性理論體系，很多研究還探索了它的機理。在經典的生物熱適應性理論中，人們已經在動植物生理生化的基礎上發現了一系列機理，比如行為方式的改變、表型可塑性調節和基因水平上的適應 。然而，由於微生物與「大型」動植物之間的差異，後者的熱適應性機理很難直接運用於微生物群落 。因此，土壤微生物呼吸的熱適應性機理研究必須立足於微生物本身，並充分考慮群落尺度的特徵。目前文獻中報道的土壤微生物呼吸熱適應性機理包括生物膜結構變化、酶活性變化、微生物碳分配比例變化及微生物群落結構變化等。
3.1 生物膜結構變化
微生物細胞的生物膜結構是基質進入細胞的「大門」，也是呼吸作用電子傳遞和氧化磷酸化的主要發生場所，控制著基質的轉運速率與能量的利用效率 。高溫環境下微生物生物膜的流動性增強，基質的轉運速度隨之加快。同時，流動性的升高也將降低生物膜結構維持質子濃度梯度的能力，增加質子泄露的概率，減少單位基質生成的ATP 數量。微生物為獲得相同的生物質能源就必須消耗更多的有機碳，從而釋放更多的CO2。根據恆黏適應理論，土壤微生物將通過增加脂肪酸的碳鏈長度，或減少脂肪酸的不飽和鍵或支鏈數目的方式降低生物膜結構在高溫環境中的流動性，因為這些新的脂肪酸分子有著較高的熔點 。生物膜結構的熱適應性變化能夠使降低基質的轉運速率，提高基質轉化為ATP 的效率，有效降低土壤微生物群落的CO2產量。
3.2 微生物酶活性變化
土壤微生物群落的呼吸作用本質上是一系列酶促反應，其速率會受到溫度的制約 。從短期來講全球變暖能顯著增加酶促反應速率，加快土壤微生物的呼吸作用 。不過，從長期來講，土壤微生物群落會調整其胞內酶與胞外酶活性，從而降低其在高溫下的生理活性 。這主要體現在酶活性最適溫度隨溫度的升高而增加以及溫度敏感性（Q10）隨溫度的升高而減少兩方面。
例如Fenner 等表明威爾士中部泥炭地土壤酶活性的最適溫度隨著季節溫度的變化而顯著變化（夏季為20℃，冬季為2℃）。Nottingham 等發現在秘魯安第斯山脈中土壤β?糖苷酶和β?木聚糖酶的Q10值與年平均溫度呈顯著的負相關關係。土壤微生物群落可以從3 方面使酶活性適應高溫環境。首先土壤微生物的基因本身或表達過程發生變化，合成和分泌適應於高溫環境的同工酶。其次，土壤微生物群落分泌酶的濃度也可能有所變化。它可能是由於基因表達的改變也有可能是由於蛋白質周轉速率變化。此外，在保證酶結構的前提下改變酶反應的環境（如pH、輔酶等）使酶的活性發生改變。
3.3 微生物碳分配比例的變化
土壤微生物呼吸的熱適應也可能與微生物的碳利用效率（CUE，也稱為基質利用效率和微生物生長效率）有關。微生物的CUE 是指微生物分配於生長的碳占其總吸收碳的比例。
Allison 等發現溫度升高引起的CUE 降低將導致加熱樣地中土壤微生物量的下降，從而在中長期尺度上降低土壤微生物群落的呼吸量。CUE 機理在學術界受到廣泛關注，已經成為新一代微生物模型的基礎。不過對這個機理也有爭議，因為一些研究發現土壤微生物的CUE 並不一定會隨溫度的升高而下降。
Bradford 等認為CUE 隨溫度升高而降低的現象只是由微生物能量外溢過程引起的，並不具有普遍性。
此外，還有人發現CUE 本身也會在全球變暖過程表現出熱適應性，從而讓CUE 機理進一步複雜化 。
例如，Frey 等發現哈佛森林中經過18 年５℃升溫的土壤微生物利用苯酚的CUE 隨溫度升高而降低的程度明顯低於只經過2 年升溫的土壤微生物。
Wieder 等模擬認為CUE 隨溫度升高而下降的機制可以使2100 年前土壤有機碳的損失量減少達300Pg，但是CUE 的熱適應性將使土壤有機碳的流失量大大增加。
但是Allison 則認為無論CUE 能否表現出熱適應性，陸地生態系統對全球變暖的反饋作用都不會很強，因為CUE 的熱適應性將減少微生物對酶的投入從而降低呼吸作用。
3.4 微生物群落結構變化
一些文獻認為土壤微生物呼吸的熱適應性可能與微生物群落結構變化有關 。它們認為在全球變暖背景下，不同的微生物受溫度升高的影響並不相同，適宜度較低的微生物的生態位將逐步被競爭力更強的微生物所佔領，從而使整個微生物群落結構發生變化。同時，微生物群落也能積累和擴散（基因的水平轉移）適宜高溫環境的基因突變從而提高整個群落的適宜度 。因此溫度升高之後，土壤微生物群落很可能會向更適宜高溫環境的微生物群落轉變。不過由於土壤微生物群落的極端複雜性，以往的文獻並沒有就這一機理達成一致。例如，利用PLFA 方法，Wei 等發現微生物群落結構與微生物呼吸的熱適應性高度相關，但是筆者卻發現中國北方乾草原土壤微生物的熱適應性與微生物群落結構相關性並不顯著。因此土壤微生物群落結構變化這一機理仍需要深入研究。
4 土壤微生物呼吸熱適應性的爭議及原因分析
土壤微生物呼吸的熱適應性在學術界也引起了激烈的討論，核心問題就是土壤微生物呼吸能否適應全球變暖過程。
一方面，部分研究認為土壤微生物呼吸表觀熱適應性只是由增溫樣地內易分解碳的降低限制了升溫對土壤微生物呼吸的促進作用而引起，而非土壤微生物呼吸的內在熱適應性。許多野外加熱和實驗室培養實驗都報道了加熱樣地內土壤易分解碳下降的現 。
Kirschbaum 的模擬結果表明加熱樣地內微生物呼吸受易分解碳限制這一機理足以解釋長期加熱樣地中土壤呼吸的變化趨勢，並不需要加入土壤微生物熱適應性機理。
Hartley 等試圖利用土壤過篩實驗分離土壤基質下降和熱適應性的影響，因為該處理可以減少加熱與對照樣地之間基質有效性的差異，但不會改變熱適應性。結果顯示土壤過篩之後加熱與對照間土壤微生物呼吸的差異消失，表明土壤微生物呼吸並不能產生熱適應性。此外他們還發現在冷卻培養後北極地區土壤微生物呼吸並沒有出現上升的趨勢。
另一方面，其他學者雖然認為土壤微生物呼吸具有適應高溫的特徵，但是他們的在實驗中沒有觀察到熱適應性現象。例如，Malcolm 等表明紅松林凋落物微生物群落的呼吸作用在持續7ｄ 的６℃增溫之後並沒有表現出熱適應性。Vicca 等報道稱泥炭土壤微生物沒有通過改變生理活性讓呼吸作用適應近兩個多月的３℃增溫。Schindlbacher 等發現連續9 年的４℃增溫並沒有使奧地利成熟森林的土壤微生物的Rmass 顯著下降。
筆者認為引起爭議的原因主要有三點。首先，一些學者沒有同時分析增溫對土壤微生物呼吸的直接和間接效應。他們往往認為這兩種效應是互相對立的，證明了一個機理就可以認為另一個機理是不存在的。例如Kirschbaum、Eliasson 等和Knorr 等的文獻均發現以土壤易分解碳限制微生物呼吸為基礎的土壤碳分解模型可以很好地解釋長期加熱后土壤微生物呼吸的變化趨勢，並以此認為土壤微生物呼吸並不能適應高溫環境。然而這個邏輯推理是不完整的，碳組分變化的解釋度很高並不能排除微生物的熱適應性。事實上，以土壤微生物呼吸熱適應性為基礎的模型也能很好地模擬土壤微生物呼吸在長期增溫下的變化趨勢。很有可能的情況是增溫對土壤微生物呼吸的直接和間接效應共同產生了土壤微生物呼吸的表觀熱適應性。
其次，一些文章研究土壤微生物呼吸熱適應性時沒有排除加熱的間接效應。正如前文所述，只有在研究中排除加熱的間接效應（例如加熱與對照樣地中基質有效性的差異）之後，我們才能說明加熱對土壤微生物呼吸的直接效應，即土壤微生物呼吸能否對高溫環境產生熱適應性變化。Hartley 等的研究沒有排除這些間接效應的干擾，因此難以證明土壤微生物呼吸不具有熱適應性。
此外，許多環境因子和實驗條件能夠影響土壤微生物呼吸的熱適應性過程，從而使文獻中的結果複雜化。
（１）加熱時間。土壤微生物呼吸的熱適應過程需要一定時間的積累。例如，Bradford 等顯示只有將土壤在高溫下培養77ｄ 之後，土壤微生物呼吸才表現出熱適應性。所以加熱時間較短的實驗不能發現熱適應性規律。
（２）微生物物種。不同的微生物物種對高溫環境的適應能力有所差異。Malcolm 等人發現12 種外生菌根真菌中有3 種的呼吸作用在經歷連續7 ｄ 的溫熱環境後能做出熱適應性變化 。Crowther 和Bradford 表明6 種在土壤中廣泛存在的腐生真菌中只有5 種的呼吸作用能夠在10ｄ 之內表現熱適應性。
（３）土壤有機質含量。Hartley 等、Vicca 等和Schindlbacher 等證明相較於貧瘠的生態系統，土壤碳豐富的生態系統能夠更好地忍耐高溫造成的脅迫，從而不易出現熱適應性現象。
（４）微生物生存環境的溫度變幅。Stark 等在近北極荒地生態系統中發現由大型動物不均勻採食引起的局部土壤溫度差異使土壤微生物呼吸產生了不同的熱適應性效果。
5 結論與展望
土壤微生物呼吸的熱適應性作為影響陸地生態系統對全球變暖反饋作用的一個潛在重要機制而受到生態學家們的廣泛關注。本文從證據、機理和爭議3 方面對土壤微生物呼吸熱適應性的研究現狀進行了總結和分析。
本文認為土壤微生物呼吸的熱適應性是生物在群落尺度上的熱適應性，建立在經典生物學的熱適應理論之上。針對土壤微生物菌株和複雜的土壤微生物群落，運用基質充分供應時單位微生物量的呼吸量等指標，研究者們在野外長期加熱實驗或實驗室培養等實驗中證明土壤微生物呼吸能夠產生熱適應性。目前比較認可的熱適應性機理包括生物膜結構變化、酶活性調整、碳分配比例改變及微生物群落結構變化等。文獻中對土壤微生物呼吸熱適應性的爭議很可能是研究方法、微生物物種及環境條件的差異引起的。綜上所述，筆者認為土壤微生物呼吸的熱適應性是真實存在的。今後的研究應該從回答土壤微生物呼吸能否適應高溫環境轉向更加深入的討論，這其中至少有3 個方面應該成為我們的研究重點。
繼續探索土壤微生物呼吸熱適應機理。土壤微生物呼吸熱適應性機理決定了氣候變暖條件下土壤微生物呼吸熱適應的時間與強度，對預測未來土壤呼吸的變化趨勢至關重要。人們在微生物碳分配變化和土壤微生物群落結構變化兩個機理上還沒有達成一致。與此同時，土壤微生物群落結構變化如何引起土壤微生物呼吸熱適應性也不清晰。所以我們仍不能回答為什麼土壤微生物呼吸在種群尺度上能夠很快就適應高溫環境（７—10ｄ），但需要很長時間（60—70ｄ）才能在群落尺度上表現出熱適應性。此外，土壤微生物呼吸還可以通過很多其它機理，如形態及大小的變化、亞細胞結構的變化、休眠、微生物物種間相互關係的變化等，適應高溫環境，這部分研究還很少甚至沒有。
深入分析環境及全球變化因子對土壤微生物呼吸熱適應性的影響。當土壤有機質含量較高時土壤微生物呼吸不易產生熱適應性這一觀點仍需要進一步證明。濕地、森林等肥沃土壤擁有全球陸地生態系統大多數的碳儲量。如果它們的土壤微生物呼吸不易產生熱適應性，那麼熱適應機理對陸地生態系統反饋作用的影響就非常有限。除此之外，許多的環境因子如pH、水分含量以及全球變化因子如大氣氮沉降、CO2濃度升高、降水格局的改變等等都能顯著改變土壤的微生物呼吸。因此它們很可能也會像土壤有機質含量、微環境溫度變幅一樣影響土壤微生物呼吸的熱適應性，但是這些因子的影響至今很少研究。
定量評估土壤微生物呼吸的熱適應性對陸地生態系統反饋過程的影響。雖然科學家們一再強調土壤微生物呼吸的熱適應性能夠顯著降低陸地生態系統對全球變暖的反饋作用，不過，至今還很少有文章評估這一機制的具體影響。Sierra 等的研究是個特例，它將土壤微生物呼吸第Ⅱ類熱適應性加入作物模型CTTCS，以此模擬了熱帶地區玉米地和香蕉地到2099 年間土壤有機碳含量的變化規律。結果表明土壤微生物呼吸熱適應性過程不能改變全球變暖后土壤有機碳礦化速率加快的趨勢，但可以將玉米和香蕉地土壤有機碳礦化速率降低達22％和33％。未來需要更多此類研究才能準確評估土壤微生物呼吸的熱適應性的影響，進而預測未來的氣候變化趨勢。
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