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科研 | SBB：基质的空间异质性降低了土壤微生物活性

已有 1482 次阅读 2021-5-14 00:21 |系统分类:论文交流

编译：傻狍子，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

土壤异质性影响微生物对底物的接触，并造成底物浓度变化的生境，从而导致碳（C）动态的局部变化。基于理论上的考虑，我们预计更高的异质性将降低微生物活性。为了检验该假设，使用具有四个隔室的3D打印圆柱体修改了基材的空间异质性。将相同总量的葡萄糖添加到一个隔间，两个隔间或四个隔间中。因此，通过实验创建了衬底空间异质性的梯度。将装有土壤的3D圆柱体转移到标准量热安瓿瓶中，并在等温量热仪中孵育，以监测土壤的散热速率，以此作为18℃下51h内土壤微生物活性的代表。

结果表明，当膜间扩散被阻止时，最不均匀处理的散热率最低，但其局部底物浓度最高。与均质条件相比，最不均匀处理的散热率在实验开始时降低了110％，当散热率达到峰值时降低了50％。而且，与最均匀的处理相比，峰延迟了大约2小时。当允许在隔室之间扩散时，基质空间异质性对微生物活性的影响被大大降低。我们的发现强调了基质空间异质性对土壤微生物动力学的影响，强调了将基质空间异质性纳入土壤碳循环模型对于更好地理解土壤碳动态的重要性。

论文ID

原名：Substrate spatial heterogeneity reduces soil microbial activity

译名：基质的空间异质性降低了土壤微生物活性

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.795

发表时间：2020.11

通讯作者：Andong Shi

通讯作者单位：瑞典农业科学大学

实验设计

本研究于2014年10月在皮尔摩尔土壤栽培试验中采集土壤样品，样品为自由排水的不排水-河流形成土。为了更准确地了解基质空间异质性和可达性对土壤微生物活性的影响，通过将三个田间重复试验的土壤汇集在一起，可以得到一个具有代表性的土壤样品。土壤保持在−20◦C冻结直到使用。在实验开始之前，将土壤解冻并在相同水分含量的条件下预培养10天。通过使用定制的圆柱体引入底物可及性和浓度的梯度，测试了底物空间异质性对微生物活性的影响，该圆柱体由一个实心内部十字线组成，将系统分为四个部分等体积（图1）。预温育后，将每隔室0.75 g的土壤（总计等于3 g的土壤）（称干重）称入3D圆柱体中。以产生异质性梯度的方式添加底物溶液：将1.5 mg葡萄糖C的总量添加到一个隔室中（相当于2.0 mg葡萄糖C g-1的土壤，称为100％），两个隔室（相当于1.0 mg葡萄糖C g-1土壤，称为50％）或所有四个隔室（相当于0.5 mg葡萄糖C g-1土壤，称为25％）（表1））。将等量的MQ水添加到其余隔室中，以便在所有隔室中获得相同的WHC。因此，实验中异质性的梯度从最不均匀的（100-0-0-0％），中等不均匀的（50-50-0-0％和50-0-50-0％）到最均匀的处理（ 25-25-25-25％）（图1）。然后将装有土壤的钢瓶转移到标准的20 ml反应容器中，并引入等温量热仪。在18℃下51 h内监测土壤热耗散率，并在5分钟间隔内取平均值，并计算累积热耗散。

图1 基质空间异质性对土壤微生物活性影响的试验计划(左图)，包括MQ加水对照处理和最均匀处理(25-25-25-25%)，中间异质(50-50-0-0%和50-0-50-0%)和最异质底物(100-0-0-0%)在定制设计的圆柱体中，具有固体内交叉，将系统分成等体积的每个隔间，没有扩散(a)和在隔间之间有扩散(b)。底物浓度25、50和100%分别为0.5、1.0和2.0 mg葡萄糖C g⁻¹土壤;因此，每次处理都使用相同数量的底物。在(b)中十字形内网格，基底在格间扩散可行则用蓝色双头箭头表示。实线和虚线分别表示肯定扩散和可能扩散。

表1 葡萄糖C浓度，葡萄糖C与微生物生物量C之间的比率（MBC），每个圆柱体中每个隔室中的葡萄糖C量（等体积）以及在均质性最高的处理中每个圆柱体中的葡萄糖C总量（25-25-25-25％），中间异质（50-50-0-0％和50-0-50-0％）和最异质的底物（100-0-0-0％）。

为了说明空间异质性对土壤微生物活动的影响，异质处理和均质处理之间的散热速率和累积热耗散的差异计算如下：

异质性效应=R_异质处理-R_均质处理

其中，R表示土壤的散热率（μJg^-1土壤s^-1）或累积的散热量（J g^-1土壤）。与均匀处理相比，该值越大，基质空间异质性对土壤微生物活性的影响就越大。

此外，为了评估扩散对微生物活性的影响，我们计算了有扩散和无扩散系统之间的散热速率和累积散热之间的差异。

扩散效应= R_有扩散− R_无扩散

数值越大，说明特定处理的扩散效果越高。

在有底物扩散的系统中，我们估计了葡萄糖从经过葡萄糖修正的腔室扩散到附近未经过葡萄糖修正的腔室所需的特征时间尺度(T)。这种一阶近似的扩散时间遵循维数论证的基础上的定义为一个特征长度的平方除以一个特征时间的比率扩散率。因此，得到T为：T=d²/D。其中特征长度d在本例中为附近隔室中心之间的距离（0.65厘米），而D表示在土壤介质中的扩散率。为了计算非饱和条件下的D，我们使用了阿奇定律，D = D₀ × n^1.5 × (Θ/n)^2,其中D₀是20°C时纯净水中葡萄糖的扩散率，n是土壤孔隙度（0.53），Θ是体积水含量（0.47）。

作者假设微生物对葡萄糖浓度的响应（按照散热速率）为凹向下函数。出于这个原因，使用Monod函数进行演示，但是该理论的定性预测不受该函数特定形状的影响，只要它向下凹即可。因此，散热率可以表示如下：

R_q =k₁S/（k₂+ S）

其中R_q和S分别是基板C的局部散热率和浓度；k₁和k₂分别是最大散热率和半饱和常数。在我们的实验系统中，由于葡萄糖添加量相对较大，因此假设混合状态良好。在均质系统中土壤系统中所有位置的底物浓度都相同；因此，平均浓度也与局部浓度相同。因此，Rq和S等于Eq中的平均值，表示我们均匀处理中每个隔室的散热率和基板浓度。由于散热率是在平均基板浓度下计算的。因此，该公式构成了均质条件下的动力学模型。

作者进一步将异质性定义为系统中葡萄糖的非均匀空间分布，而模型的参数（k₁和k₂）被认为是空间均匀的。因此，我们实验中的异质性是由四个部分中不同的葡萄糖浓度提供的。最初，微生物生物量在空间上是均匀的；然而，随着微生物开始消耗底物，预计会发展出空间异质性模式，从而导致k₁在空间上发生变化，但是鉴于实验持续时间短，忽略了这种影响。接下来使用比例转换理论按比例放大上式中均质条件的散热模型，以获得等式中的异构系统的散热率。在分析之前，从所有异质处理中减去对照处理中的散热率和累积热量值。用单向方差分析分析测试处理之间的散热率差异在分析之前，使用Levene检验以P <0.05检验方差的均一性。当测试失败时，使用SPSS使用Kruskal-Wallis单向方差分析在P <0.05的水平上测试治疗之间的差异。使用Dunn的事后检验方法进一步分析了处理之间的散热速率或累积散热之间的显著差异。

结果

1. 基板空间异质性对散热的影响通过扩散减少基板空间异质性对散热的影响

在实验开始时（t= 3h），在25-25-25-25％处理中，土壤散热速率为26.6±1.9μJg^-1土壤s^-1。是其他治疗方法的67％到两倍以上（图2a）。葡萄糖的添加引起散热率的强烈增加，达到一个峰值然后又下降，并且异质性处理之间的峰值高度和时间有所不同（表2）。散热速率的峰值最早出现在最均匀的处理中（30.5小时），最晚出现在50-0-50-0和100-0-0-0％处理中，大约在2小时后。在最不均匀的处理中，峰高最小（100-0-0-0％），比其他处理小50％以上。这些结果支持我们的两个假设。

图2 没有扩散（a）和有扩散（b）样品中对照处理和最均质（25-25-25-25％），中等非均质（50-50-0-0％和50-0-50-0％）和圆柱中最不均匀的底物（100-0-0-0％）处理中的土壤散热率（μJg^-1土壤s^-1）。符号上的条带为5分钟间隔（n=3）的标准误差。

表2 单向方差分析和Kruskal-Wallis测试（斜体显示）的统计结果，涉及实验开始时（第3小时），峰值，结束时（第51小时）的散热率以及底物空间之间的累积热量（异质性处理（最均匀的25-25-25-25％，中间异质的50-50-0-0％和50-0-50-0％，以及最异质的处理100-0-0-0％）在圆柱体中没有扩散并且在隔室之间扩散。

在实验结束时（t=51h），在最不均匀的处理中，累积散热量最低，而在50-50-0-0％和50-0-50-0％的中间处理中，累积散热量最高，显著提高30％（图3a）。我们应用异质性效应=R_异质处理-R_均质处理更好地说明了异质处理如何驱散累积热量与均质处理的差异。异质处理和均质处理之间的差异逐渐增加，直到大约33 h，此后减小（图4a）。

图3 没有扩散（a）和有扩散（b）样品中对照处理和最均质（25-25-25-25％），中等非均质（50-50-0-0％和50-0-50-0％）和圆柱中最不均匀的底物（100-0-0-0％）处理中的累积热量（μJg^-1土壤％）。符号上的条带为5分钟间隔（n=3）的标准误差。

图4 没有扩散（a）和有扩散（b）样品中对照处理和最均质（25-25-25-25％），中等非均质（50-50-0-0％和50-0-50-0％）和圆柱中最不均匀的底物（100-0-0-0％）处理中的累积热量的差异（μJg^-1土壤）。符号上的条带为5分钟间隔（n=3）的标准误差。呈现的值是用对照处理中的数据减去的数据。箭头“异质性程度”表示基质空间异质性从中等水平提高到高水平。

在整个培养过程中，大部分非均匀处理比均匀处理散热量少。在大约32小时时，差异最大，在此期间，与均质处理相比，大多数非均匀处理耗散的土壤热量少3.3±0.1J g⁻¹。中间非均质处理(50-50-0-0%和50-0-50-0%)在相同时间内减少了约1.7 J g⁻¹土壤热量。在t = 51 h时，均匀处理和大部分非均匀处理之间的差异在实验结束时逐渐减小，但大部分非均匀处理的差异仍然很大，此时比均匀处理减少了1.5±0.1 J g⁻¹的热量。

2. 通过扩散减少基板空间异质性对散热的影响

当允许跨隔间扩散时，不同处理之间的散热率差异不太明显(图2b)。除50-0-50-0%处理的耗散率高23%外，各处理的初始和峰值耗散率均无显著差异。100-0-0-0%处理在孵化结束时散热率最高，约为50-50-0-0%和50-0-50-0%处理的2倍，比均质处理高3倍以上。总的来说，这些结果支持了我们的第三个假设。

50-50-0-0%和50-0-50-0%处理的土壤累积散热量最高，而最均匀处理的土壤累积散热量最低(图3b)。当基质被允许扩散时，不均匀处理和均匀处理之间累积热的差异就不太明显(图4b)。在整个培养过程中，50-50-0-0%和50-0-50-0%处理的差异可以忽略不计，直到大约33 h，而最不均匀的处理在那时比均匀处理耗散了0.9±0.2 Jg⁻¹土壤热量。33 h后，非均匀处理比均匀处理散发更多的热量。50-50-0-0%、50-0-50-0%和100-0-0-0%处理的累积差异最大，分别为1.6±0.1、1.3±0.1和1.0±0.2 Jg⁻¹。

正如预期的那样，根据扩散效应= R_有扩散− R_无扩散定义的度量，在最均匀处理下，有扩散和没有扩散的样本之间的累积散热没有差异。然而，差异从50-50-0-0％处理逐渐增加到100-0-0-0％处理最大(图5)。到实验结束时，累积差异在25-25-25-25％处理中最小，并且随着异质性程度的增加而增加。

图5 没有扩散（a）和有扩散（b）样品中对照处理和最均质（25-25-25-25％），中等非均质（50-50-0-0％和50-0-50-0％）和圆柱中最不均匀的底物（100-0-0-0％）处理中的累积热量（Jg-1土壤）之间的差异。呈现的值是用对照处理中的数据减去的数据。右边的箭头指示从最均质到最不均质的处理，底物空间异质性的增加。

结论和展望

1.基质空间异质性对土壤微生物活性的影响

100-0-0-0％处理中微生物活性的下降可能是由于多种原因。首先，底物消耗的速率随着底物浓度的增加而呈亚线性增加，因此仅将底物集中在一个隔室内是不允许有效利用的均质处理中微生物底物的数量。高浓度葡萄糖摄取的较低速率可以通过细胞壁转运蛋白的饱和或物质转运的局限性来解释，但也可能是由于局部氧气的局限性引起的。其次，高浓度葡萄糖可以减少大菌落与底物的接触，因为微生物菌落的大小通常随葡萄糖浓度的增加而增加，而在大菌落中，底物的质量迁移可能成为限制因素。在最不均匀的处理中尤其如此，在该处理中，局部浓度最高，可能导致大菌落生长，但仅在底物修饰的区室中。吸收速率和浓度之间的凹向下关系也可以捕获这种效果。第三，在最不均匀的处理中（100-0-0-0％），修改后的底物的丰度还可能限制微生物群落与底物之间的相互作用，因为仅在一个土壤室中，微生物需要更长的时间来应对丰富的基质。

根据这一观点，我们对细菌和有机碳源之间的错位进行了建模。结果表明，与混合良好的情况相比，细菌和有机碳源之间的错位减少了分解。当基质以聚集形式分布时，微生物接触和吸收基质的可能性较低。与此结果一致的是，Kaiser等人发现衰减速率的降低对应于基质的空间分布程度较高，但基质的分布是微生物功能基团之间相互作用的结果，而不是外界操纵的结果。这些建模研究是在土壤孔隙尺度上进行的，该尺度远小于我们的隔室。然而，类似的证据也出现在与我们的实验规模相当的实证研究中。例如，在“三明治形”缩影中强调了微生物群落与基质之间共置的重要性，其中将植物残留物置于两个土壤层的中间。在与残留物直接接触的土壤中分解最高（因此斑点具有最高的底物浓度），并且随着距离的增加而降低。所有这些研究都强调了微生物分解过程中可及性和底物源浓度的重要性。它们表明，与可能出现热点的现场水平相比，在混合良好的条件下进行的实验室实验可能会高估微生物活性。

此外，在整个培养过程中，中等异质性处理中的土壤微生物活性在两种极端处理之间（25-25-25-25％和100-0-0-0％）保持不变（图3a）。因此，我们可以证实我们的第一个假设（对于给定总量的C，土壤微生物活性低于同质条件下的土壤微生物活性）和第二个假设（异质性越大，微生物活性越低）。这两个假设也得到了尺度转换理论的支持，该理论解释了平均散热率方程第二项中衬底空间异质性的程度。在放热峰值之后，在最均匀的处理中，热效率急剧下降，而其他处理热速率下降较平缓。如上所述，由于较高的利用率，在均匀处理中底物的消耗可能更完整。相反，基质空间异质性的增加限制了分解器对衬底的利用，从而降低了分解速率，并导致散热速率峰值至少延迟了2小时（图2a）。在异构条件下，如果开始时C利用率较低，则还可以基于尺度转换理论预测此延迟。因此，到达峰值所需的时间更长。总体而言，散热峰值的延迟和峰值之后微生物活性的下降较慢表明：i）基板的有限访问可长期维持其利用率，这是由于散热率范围相对狭窄所致;和ii）微生物的处理速率随异质性程度的不同而不同，因为在均匀修饰底物时未观察到散热峰的延迟，而与底物浓度无关。

综上所述，土壤成分（矿物质，有机物等）的排列，加上其他因素的影响，会造成局部微生物热点和冷点，从而导致整个系统规模的微生物处理速率发生变化。值得注意的是，当考虑孔尺度或毫米尺度斑块时，这些局部异质性对观测速率的影响是相似的。我们的结果表明，不仅存在热点，而且相对于寒冷点的位置（即空间异质性的大小）都影响土壤微生物的功能。这为Lehmann等人提出的空间异质性控制碳流速率和有机质稳定的假说提供了直接证据。

2.基质空间异质性降低(通过扩散)对微生物活动的影响

在允许基质扩散的系统中，土壤散热率的差异仍然小于没有扩散的系统（图2b），这可能是由于基质向“空”隔间(即没有添加基质的隔间)输送造成的。基板需要时间才能扩散到空的隔间中，尤其是对角距离为100-0-0-0％的那一处，那里的距离最长。实际上，葡萄糖在附近隔室之间扩散的估计时间量（T=d²/D）约为60小时（从隔室中心到中心为0.65 cm）。因此，扩散所需的时间可能导致了微生物活性的延迟。同样值得注意的是，在扩散发生时分解仍在继续，这一点由各处理(50-0-50-0%处理除外)的热峰值大小相似所证实。因此，观察到的放热延迟也可以看作是底物与分解剂之间距离的结果-底物与分解剂之间的距离越近，分解越快。因此，我们的最后一个假设也得到了证实，即当底物浓度梯度被扩散降低时，微生物的活性将更接近均匀体系的活性。

值得注意的是，与50-50-0-0％相比，在50-0-50-0％的高峰期有更强的微生物活性。我们推测这可能是由于不同的局部底物浓度，或底物扩散到空隔室中的速度和方式不同所致。如实验设计的布局所示（图1），两个空室接收底物的速率不同。在50-50-0-0-0％处理中，带有底物的两个隔室并排放置，而在50-0-50-0％处理中，它们与另两个带有底物的隔室直接接触。因此，底物可以从后者的两侧进入，而只能从前者的一侧进入，从而在50-50-0-0％处理中导致相对较高的局部葡萄糖浓度。因此，我们推测在50-50-0-0％处理中观察到的较低的土壤微生物活性是由于较低的底物向未修正的隔室的运输。此外，在50-0-50-0％处理中，散热率的峰值出现的较晚，这表明不同的局部底物浓度改变了底物同化率，从而改变了峰的时间。无论基板是否能够扩散，都会发生这种延迟（图2a和b）-这是我们无法轻易解释的结果。由于土壤有机质分布不均，并且自然输运过程倾向于减小空间梯度，因此预计分解速率会发生变化。这取决于热点和冷点的特定排列以及它们之间的传质程度。

50-50-0-0％和50-0-50-0％处理之间的差异无法通过尺度转换理论等式中的“校正”项（解释异质性）来解释。因为在数学上，这些处理之间的“校正”项是相同的。此外，由于尺度转换理论仅能解释热峰之前的观测结果，所以不能解释底物和微生物生物量的动态变化。一旦这些变化被包括在内，则相同的理论可能就能描述整个响应曲线。此外，在不同的底物浓度下可能出现不同的微生物过程动力学，这在模型中并未考虑在内。仍需要获得微生物底物利用的代表性动力学模型，并将其与质量和能量平衡方程式耦合，将提高尺度转换理论解释空间异质性相关变化的能力，并最终为土壤碳循环模型提供新颖的分解公式。

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