生态恢复监测中土壤微生物生态学假设的检验！

摘要

1、全球对建立健康土壤的兴趣与新的DNA测序技术相结合，导致了大量土壤微生物群落（SMC）数据的产生。

2、SMC分析正被广泛用于监测生态恢复轨迹。然而，尽管有大量且不断增长的土壤微生物数据，但尚不清楚这些数据如何为恢复实践提供信息和最佳指导。

3、在这里，我们研究了关于SMC作为指导生态系统恢复的工具的假设，并评估了使用SMC的物种清单作为恢复成功的基准的有效性。

4、我们研究了评估土壤健康的其他方法，并得出结论，通过使用非分子方法进行补充，我们可以显著提高物种清单数据在生态恢复中的效用。

一、简介

百欧博伟生物：随着地球被人为干扰所席卷，如何恢复生态系统的问题变得越来越重要。在实践中，恢复和生态恢复结果往往达不到目标，而不是成功（Crouzeilles et al.，2016），特别是对于严重改变的基质上的不同原生植被（Cross&Lambers，2017）。决定康复和恢复结果的因素很复杂，取决于一系列因素，包括生物和非生物、当代和历史因素（Nsikani，van Wilgen，&Gaertner，2018）。事实上，对于一些生态系统，特别是那些经历了严重土壤扰动、退化或污染的生态系统，可能不可能恢复到扰动前的状态（Webster等人，2018）。

长期以来，土壤微生物群落（SMC）一直被认为是监测生态恢复范围（Harris，20032009）的成功指标，包括人工林（Banning et al.，2011）、采后地区、石油和天然气活动（Zhang et al.，2020）、入侵物种管理（Chen et al.，2019）和土壤稳定（Rodríguez-Caballero et al.，2012）。由于土壤微生物功能是所有成功恢复和恢复的基础，SMC清单已成为描述恢复事件期间土壤健康的事实指标（例如，Maestre，Solé，&Singh，2017），无论扰动类型如何。在大多数情况下，这些库存是沿着修复轨迹收集的，以建立修复成功的“基准”（例如，Gellie、Mills、Breed和Lowe，2017；Yan等人，2018）。

但是SMC物种清单在确定土壤健康方面的信息量有多大？鉴于SMC的库存能力取决于下一代测序技术（见Williams、Nevill和Krauss，2014），我们对SMC组装和功能的理解仍在发展中（Yang、Wagg、Veresoglou、Hempel和Rillig，2018）。然而，基于量化SMC的研究数量正在不断增加；仅在过去的6个月里，搜索词“土壤微生物*群落与恢复”就返回了1231篇论文（Web of Science，2020年8月8日）。大量的数据是否提高了对修复成功率的估计，或者我们的理解是否仍然远远落后于技术，使这些方法变得有用？

SMC在生态系统功能中的重要性是毋庸置疑的。但SMC物种清单作为评估恢复成功率的指标的价值尚不清楚。在本文中，我们研究了SMC在生态恢复中的作用问题：（a）SMC受到人为干扰的影响有多大，它们能自然“恢复”吗？（c） SMC物种清单是衡量土壤健康的一个好指标吗？（c） 土壤微生物改良剂能加速SMC的“恢复”吗？以及（d）测量SMC成分和功能的合适技术是什么？我们的目标是向从业者和研究人员概述基于测序的SMC修复评估方法的基本假设和潜在局限性，并提出潜在的补充方法，以提高这种方法的实用性。

二、人类活动是如何干扰SMC的？

乍一看，使用SMC来告知恢复成功是直观的，因为SMC很容易被人为活动破坏和降解（Allison&Martiny，2008）。然而，很难预测扰动对SMC的影响，因为响应的大小和方向取决于扰动事件的类型和严重程度（De Vries et al.，2012）。由于大多数人为活动涉及多种干扰因素，预测干扰对SMC的影响变得更加困难。例如，农业具有改变土壤化学和物理特性以及改变植物群落的独特扰动特征（Pimentel等人，1995年）。相比之下，采矿既可能涉及土壤退化或污染，也可能涉及彻底清除土壤（Ghose，2004）。显然，这种不同的干扰源会以不同的方式和程度影响SMC。例如，露天采石场或废石地貌缺乏足够的表层土覆盖，需要与尾矿储存设施不同的恢复策略。在这种不同干扰的情况下，很可能很难确定是什么因素推动了SMC的变化，以及如何恢复这些社区。

与人为干扰相关的最常见研究因素之一是土壤化学（Leff et al.，2015）。添加氮（N）和磷（P）会导致SMC发生变化（Suzuki，2009）。例如，土壤氮和磷浓度的增加会降低Glomeromycota的水平，Glomeromycta是一种真菌植物共生体，以其促进植物养分吸收的作用而闻名（Treseder，2004）。这些影响在多大程度上是直接的或由植物介导的尚不清楚，因为植物群落也通过共生体影响SMC的组成（Martinez Garcia，Richardson，Tylianakis，Peltzer，&Dickie，2015），并改变土壤中的碳输入（Lange et al.，2015）。矿物质氮补充剂可以抑制土壤微生物呼吸，影响分解速率和土壤碳库（Ramirez，Craine，&Fierer，2012）。与营养添加类似，重金属毒性对细菌和真菌群落的影响不同，比真菌更能降低细菌活性（Rajapaksha，Tobor Kapon，&Bååth，2004）。金属毒性抑制某些酶（Belyaeva，Haynes，&Birukova，2005）并降低微生物活性，导致SMC的代谢周期中断（Shi，Bischoff，Turco，&Konopka，2002）。

除了化学变化外，人为活动还通过底物修饰影响SMC。从农业耕作到露天采矿的土壤清除，这些扰动的强度各不相同。SMC对耕作的反应各不相同，但真菌通常比细菌更容易受到基质修饰的影响（Frey，Elliott，&Paustian，1999）。采矿对SMC的影响可能更为严重，因为它代表了基质和植物移除的综合影响。在许多情况下，场地也可能被重金属污染，导致近乎无菌的条件（Baker&Banfield，2003）。清除表层土进行采矿对SMC多样性、微生物生物量和土壤代谢循环有明显的不利影响。当土壤长期堆放时，这些影响往往会加剧（Golos&Dixon，2014），并且在恢复工作停止100年后仍然可以检测到（Poncelet、Cavender、Cutright和Senko，2014）。

表土是一种有价值的恢复资源，通常在采矿活动之前收获，并储存起来供后期恢复使用（Golos&Dixon，2014）。堆放表层土的质量和功能受到许多因素的影响，包括表层土堆放的大小和深度、储存时间、土壤物理和化学特性、植被覆盖和气候（Abdul-Karem&McRae，1984）。表土堆上的植被覆盖可以增加SMC的活性和多样性（Muñoz-Rojas，Martini，Erickson，Merritt，&Dixon，2015；Pandey等人，2017）。已经记录了表层土储存对SMC的生物量、大小、活性和组成的显著影响，这对营养循环有影响（Harris，Birch，&Short，1993）。

扰动的多因素性质使得很难预测SMC是如何受到影响的，以及它们是否是恢复成功的可靠指标。细菌、真菌和其他微生物表现出的特殊反应加剧了这种复杂性。此外，采样中的偏差可能会干扰检测变化的能力（方框1）。这些问题使得设计有用的分子清单变得困难。例如，如果丛枝菌根（AM）真菌因森林砍伐而受损，但腐生真菌则不然，那么针对一般真菌群落的分析可能无法检测到变化，因为AM真菌在土壤中只占一般真菌的一小部分。相反，过于精细的分析也可能无法检测到变化。在这种情况下，针对参与氮循环的细菌的检测将错过负责碳循环的细菌变化。

三、SMC能自然重组吗？

尽管SMC受到人为过程的影响，但它们本身很少成为恢复的目标。相反，SMC重新组装到扰动前状态的能力是恢复事件中的一个明确假设。如果SMC无法恢复并损害生态系统的恢复，这可能会产生问题。但即使它们真的恢复到参考状态，这也可能无法反映生态系统的成功恢复。如果不明确了解SMC与生态系统功能之间的关系，使用SMC清单可能无法反映恢复的成功。

为了成功恢复，SMC是否有必要与“参考”SMC区分开来？为了评估SMC的恢复，确定恢复轨迹是很重要的。文献中关于SMC“恢复”的构成证据有限，重要的是，它构成了恢复预定植物覆盖的基础（McDonald，Gann，Jonson，&Dixon，2016）。研究表明，SMC随着位点演替过程的发生而变化，但它们很少达到预稳定条件（例如Banning等人，2011）。虽然与“参考”SMC相比，回收SMC可以达到类似的物种丰富度或组成水平，但它们似乎很少同时达到这两个水平（例如McKinley、Peacock和White，2005）。或者，如果恢复表示恢复到与“参考”SMC相同的功能水平，则有证据表明SMC仅部分恢复这些过程（Kumaresan等人，2017）。鉴于SMC对土壤和生态系统过程的复杂性，目前尚不清楚功能基因测定是否是确定植物相关SMC回收的信息代理（Graham et al.，2016）。

如果化验显示SMC回收率未能达到“参考”状态，那么改变后的SMC是否有可能在功能上等同于参考群体？如果扰动后的恢复呈现不同的轨迹，那么SMC可能在组成上有所不同，但对当代生态系统来说仍然是“功能性的”。由于SMC的组成受到植被特性和多样性的强烈影响（例如Andersen、Grasset、Thormann、Rochefort和Francez，2010），如果植被群落与扰动前不同，SMC恢复到参考状态可能是不现实的（Wardle和Peltzer，2017）。从功能意义上来说，恢复可能会被无限期地推迟或阻碍。

有人认为，严重改变的景观可以通过一个理论临界点，在这个临界点上，扰动前状态的恢复变得无法实现，甚至不可取（Perring等人，2015）。在这种情况下，确定恢复目标可能很困难（Radeloff等人，2015）。虽然功能齐全的“替代”国家的想法可能会吸引修复从业者和政府，但他们可能会降低修复标准（例如Murcia等人，2014），同时代表行业的“出狱免费卡”（Simberloff，Murcia，&Aronson，2015）。对于地下恢复，“替代状态”的争论涉及目标是在分类学上还是在功能上与参考状态相似。鉴于SMC的超分类多样性，恢复生态系统的SMC可能在功能上等效，但在组成上不同（Louca et al.，2018）。这些差异是否可能具有生态意义尚不清楚。

四、SMC多样性是否表明生态系统健康？

人们认为，SMC的多样性是自然生态系统和管理生态系统中土壤健康的关键指标（Schimel&Schaeffer，2012）。例如，在标记的13C微宇宙实验中，较高的微生物多样性显著改善了土壤碳（C）循环（Maron et al.，2018），以及由土壤细菌和丛枝菌根介导的氮（N）循环（Nelson，Martiny，&Martiny，2016）。虽然SMC多样性与许多生态系统功能之间存在关系（Sahu等人，2017），但几乎没有证据表明植物群落和SMC总是紧密耦合的（Van Nuland，Ware，Bailey，&Schweitzer，2019）。即使SMC从未恢复到参考状态，也可能不会影响生态系统的恢复。

很难将特定的生态系统过程与特定的微生物群落联系起来。例如，Bier等人（2015）报告称，大约四分之一的土壤微生物多样性研究试图将微生物群落结构与微生物过程联系起来。这些联系中的绝大多数还没有得到很好的理解，目前仍不清楚（Jansson和Prosser，2013）。因此，很难将生态系统健康的特定特征与微生物群落成员联系起来，而且酶活性测量仍然不完善，无法描绘微生物群落组成的变化（Baldrian，2019）。

如果土壤生态系统功能是不同SMC功能的叠加效应，那么分类单元的存在应该赋予某些功能，因此SMC多样性可以作为生态系统恢复的指标。然而，有证据表明SMC多样性不是影响土壤功能的主要因素。Graham等人（2014）认为，物理和化学环境对氮循环的重要性与SMC的多样性相同。特定微生物分类单元的存在可能不能保证功能；一个分类单元可能出现在一个目录中，但由于休眠、死亡或次优环境条件而不起作用（Blagodatskaya&Kuzyakov，2013）。或者，由于SMC中的高水平功能冗余，增加的SMC多样性可能不会表现为更具功能性（Nannipieri等人，2003）。虽然这种冗余可能有助于缓冲功能抵御干扰（Mendes et al.，2015），但这意味着仅多样性是SMC恢复的不可靠衡量标准。目前，我们不知道SMC中存在多少功能多样性，以及这种多样性在不同系统或条件下有何不同（Jansson和Prosser，2013）。

五、通过土壤改良剂和接种剂可以加速SMC的恢复吗？

如果SMC对生态系统恢复很重要，那么可能有理由引入土壤微生物来加速积极变化（Neuenkamp，Prober，Price，Zobel，&Standish，2019，Policelli，Horton，Hudon，Patterson，&Bhatnagar，2020）。微生物在生态系统恢复中的应用可以是简单的“生长促进剂”声明，也可以是更直接的应用，例如改善受污染的土壤。孕育剂成功缓解了盐度胁迫（Ahmad et al.，2018）和重金属污染（Fashola，Ngole Jeme，&Babalola，2016）。接种耐金属微生物改善了植物的建立（Ahmad et al.，2018），并被提倡用于重金属污染场地的修复（Fashola et al.，2016），同时促进植物生长（Mishra，Singh，&Arora，2017）。

微生物接种剂可能无法达到预期效果的原因有很多，包括微生物接种剂在田间缺乏局部适应和应用后的进化（Hart，Antunes，&Abbott，2017）。此外，成功建立接种物可能代表入侵物种的威胁（Hart等人，2019）。如果入侵微生物取代或堵塞了驻留的分类群，生态系统的功能可能会受到损害。基于测序的技术不仅可用于识别候选接种物和评估SMC对现场接种的反应，还可用于监测常驻SMC反应。

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