土壤硝化作用的溫度響應(yīng)綜述

金雪蓮 姚槐應(yīng) 樊昊心

摘要：硝化作用是土壤氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中直接影響肥料的使用效率。溫度是影響硝化作用的主要因素。全球變暖造成的影響不斷加深，清晰認(rèn)識(shí)土壤硝化作用的溫度變化響應(yīng)特征對(duì)預(yù)測(cè)全球變暖背景下土壤生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)具有重要的指導(dǎo)意義。從土壤硝化速率溫度響應(yīng)特征、硝化微生物活性、群落結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)、潛在機(jī)制、土壤硝化作用溫度響應(yīng)的不確定性等方面對(duì)土壤硝化作用的溫度響應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)。后續(xù)研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：（1）探索硝化微生物和硝化作用的熱適應(yīng)性及其機(jī)制;（2）探索復(fù)雜環(huán)境因子氣候變化因子對(duì)土壤硝化作用溫度響應(yīng)特征的影響;（3）在大尺度范圍內(nèi)建立土壤硝化作用的溫度響應(yīng)與硝化微生物的群落特征的聯(lián)系，同時(shí)引入模型評(píng)估硝化微生物N2O排放對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔茫M(jìn)而預(yù)測(cè)氣候變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：硝化作用;溫度;氨氧化古菌;氨氧化細(xì)菌;N2O;全球變暖

中圖分類號(hào)：S154?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2020）20-0008-09

氮循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)的核心過(guò)程之一，而硝化作用是土壤氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，在一定程度上能夠限制生態(tài)系統(tǒng)中其他氮循環(huán)過(guò)程的發(fā)生[1]。硝化作用是微生物將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮，再進(jìn)一步氧化為硝態(tài)氮的過(guò)程。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，硝化作用決定著土壤氮素的有效性和其損失。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，2018年我國(guó)化肥使用量為5 675萬(wàn)t，大量的銨態(tài)氮經(jīng)過(guò)硝化作用形成硝態(tài)氮，而帶有負(fù)電荷的硝態(tài)氮不易被土壤吸附，且流動(dòng)性較高，容易受淋溶和反硝化作用的影響從土壤中淋失，繼而造成地表及地下水的污染[2]。此外，硝化作用的副產(chǎn)物N2O是造成全球變暖的三大溫室氣體之一，有證據(jù)表明由硝化作用產(chǎn)生的N2O排放量占土壤N2O總排放量的80%[3-7]。因此，硝化作用具有重要的農(nóng)業(yè)和環(huán)境效應(yīng)，一直是研究的熱點(diǎn)。

硝化作用主要由微生物驅(qū)動(dòng)，可分為異養(yǎng)硝化和自養(yǎng)硝化2種類型，其中自養(yǎng)硝化在眾多生境中起主導(dǎo)作用[3]。傳統(tǒng)的自養(yǎng)硝化過(guò)程分為2步，第一步是由氨氧化微生物氨氧化古菌（AOA）、氨氧化細(xì)菌（AOB）完成的氨氧化作用，即將NH+4氧化成NO-2;第二步是由亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）完成的亞硝酸鹽氧化，即將NO-2氧化成NO-3[8]。此外，2015年從深油井和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)富集得到的完全氨氧化細(xì)菌（comammox），具有將氨氧化成亞硝酸最終形成硝酸鹽所需的全部酶，可以單獨(dú)將NH+4氧化成NO-3，這一發(fā)現(xiàn)從根本上改變了學(xué)術(shù)界對(duì)硝化作用的認(rèn)識(shí)[9-11]。由于完全氨氧化細(xì)菌的研究尚處于起步階段，其在硝化作用中的貢獻(xiàn)和與傳統(tǒng)硝化微生物生態(tài)位的分異還有待研究，本文對(duì)此不作重點(diǎn)討論。氨氧化作用是傳統(tǒng)硝化過(guò)程中的限速步驟，AOA和AOB是氨氧化過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)者[12]。本文所述硝化微生物特指氨氧化微生物，討論將主要圍繞AOA和AOB展開(kāi)。盡管AOA和AOB使用相同底物用于能量代謝，但它們的生理生化特性方面存在明顯的差異，這些差異主要體現(xiàn)在溫度的敏感性[13]、底物的親和性[14-15]、生長(zhǎng)pH值偏好[2，3，12，16]等，這些差異直接決定了AOA和AOB在環(huán)境中生態(tài)位的分異及硝化作用的強(qiáng)度。

溫度是影響微生物生長(zhǎng)和功能活性的關(guān)鍵因子，可以直接影響硝化微生物相關(guān)酶活性，或間接影響環(huán)境中基質(zhì)的可利用性和硝化生物的群落結(jié)構(gòu)從而改變環(huán)境中的硝化速率[13]。一些研究表明硝化速率隨著溫度的升高而提高[17-18]，另一些學(xué)者則發(fā)現(xiàn)溫度和硝化速率之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性[19-21]。純培養(yǎng)研究清楚地證實(shí)了AOA和AOB的最佳生長(zhǎng)溫度范圍有顯著的差異[22-23]。有報(bào)道指出AOA和AOB全球分布模式與溫度密切相關(guān)[24]。然而，在局部范圍內(nèi)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)只有AOA群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的升高有明顯的響應(yīng)，AOB的群落結(jié)構(gòu)則保持穩(wěn)定[25]。千差萬(wàn)別的結(jié)果制約著人們對(duì)土壤硝化作用的溫度響應(yīng)模式的認(rèn)識(shí)。清晰認(rèn)識(shí)土壤硝化作用的溫度變化響應(yīng)特征，對(duì)高度集約化農(nóng)業(yè)管理?xiàng)l件下選擇施肥時(shí)機(jī)、控制氮肥的損失、繼發(fā)的環(huán)境效應(yīng)，以及在全球變暖影響不斷加深背景下，認(rèn)識(shí)土壤生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、環(huán)境變化及了解相互作用過(guò)程都具有重要的指導(dǎo)意義。

本文梳理了現(xiàn)有硝化作用對(duì)溫度響應(yīng)的主要研究進(jìn)展，系統(tǒng)闡述了土壤硝化速率、硝化微生物、土壤硝化微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的響應(yīng)特征，分析潛在的微生物生理生態(tài)學(xué)機(jī)制，并指出未來(lái)的重點(diǎn)研究方向，以期為預(yù)測(cè)氣候變化條件下硝化作用、氮循環(huán)的響應(yīng)趨勢(shì)、制定可持續(xù)性的農(nóng)業(yè)管理政策提供理論依據(jù)。

1 土壤硝化速率的溫度響應(yīng)

硝化作用實(shí)質(zhì)上是由一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的，其速率會(huì)受到溫度的制約。溫度升高可以有效增加酶促反應(yīng)的速度，直到反應(yīng)速度達(dá)到最大值。另一方面，酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度過(guò)高將引起蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致酶失活。因此，當(dāng)反應(yīng)速度達(dá)到最大值后，溫度的升高導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，微生物因此開(kāi)始死亡，生長(zhǎng)及反應(yīng)速率開(kāi)始逐漸下降，直到完全停止。表征微生物生長(zhǎng)或功能特性對(duì)溫度響應(yīng)的直接參數(shù)通常是3個(gè)基本溫度：最低溫度（Tmin）、最適溫度（Topt）、最高溫（Tmax）。通常，在一系列溫度下測(cè)定微生物的生長(zhǎng)或功能特性，然后利用Ratkowsky平方根模型（SQRT）[13]、阿倫尼烏斯公式（Arrhenius）[26]、大分子速率（MMRT）[27]等模型可以獲得這3個(gè)基本溫度。此外，生物過(guò)程的溫度敏感性（Q10），即溫度每增加10 ℃時(shí)反應(yīng)過(guò)程速率所增加的倍數(shù)，也普遍用來(lái)評(píng)估生物過(guò)程對(duì)溫度變化的響應(yīng)趨勢(shì)。

據(jù)文獻(xiàn)記載，1925年就有研究者開(kāi)始了對(duì)土壤硝化作用溫度響應(yīng)的研究，早期的工作主要圍繞土壤硝化速率的最適溫度展開(kāi)。硝化作用的最適溫度指硝化速率達(dá)到最大值時(shí)的環(huán)境溫度。Mahendrappa等比較了20、25、35、40 ℃條件下不同土壤中的硝化速率，發(fā)現(xiàn)硝化速率的最適溫度與所處氣候區(qū)有關(guān)，如美國(guó)南部土壤的硝化速率在35 ℃時(shí)最快，美國(guó)北部土壤的硝化速率則在20、25 ℃時(shí)最快[28];Mahli等也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，來(lái)自于熱帶、溫帶、北極圈內(nèi)的土壤硝化作用的最適溫度分別為35、30、20 ℃[29];Stark引入阿倫尼烏斯公式及泊松分布的概率密度函數(shù)等公式，更加精確地評(píng)估了土壤硝化作用的最適溫度[26]。在此基礎(chǔ)上，Stark等發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域硝化作用最適溫度與一年中某一時(shí)期的溫度有關(guān)，而與年均溫度無(wú)關(guān);例如，橡樹(shù)下土壤硝化作用的最適溫度為31.8 ℃，而相鄰的露天環(huán)境下土壤硝化作用最適溫度則為35.9 ℃[30]。Ouyang等利用泊松分布的概率密度函數(shù)公式評(píng)估了不同處理的農(nóng)業(yè)土壤中硝化潛勢(shì)對(duì)應(yīng)的最適溫度，與對(duì)照（35 ℃）相比化肥處理降低了土壤中硝化潛勢(shì)對(duì)應(yīng)的最適溫度（32 ℃），而有機(jī)肥處理土壤卻沒(méi)有變化[31]。土壤硝化作用的最適溫度和溫度敏感性實(shí)質(zhì)上是硝化微生物群落對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)，有著深厚的微生物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)。隨著硝化微生物生理學(xué)和分子生態(tài)學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到AOA和AOB在生理生化、生態(tài)位及其對(duì)硝化作用貢獻(xiàn)的差異[2-3，12-13，32]。因此，土壤硝化作用的溫度響應(yīng)與硝化微生物的群落結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

2 氨氧化微生物的溫度適應(yīng)性

研究者通過(guò)分離富集的途徑分析了AOA和AOB的最適生長(zhǎng)溫度，發(fā)現(xiàn)AOB可能更適應(yīng)中低溫的環(huán)境，而AOA則主導(dǎo)了高溫環(huán)境中的氨氧化作用。如表1所示，目前發(fā)現(xiàn)的AOB都屬于中低溫菌，生長(zhǎng)溫度普遍低于33 ℃[33-35];Jones等發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas cryotolerans可以在4～5 ℃的溫度下生長(zhǎng)[36];在農(nóng)業(yè)土壤中歐洲亞硝化毛桿菌（Nitrosomonas europaea）及亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）甚至可以在0～3 ℃生長(zhǎng)[37-38]。迄今為止還未發(fā)現(xiàn)可在溫度高于40 ℃的環(huán)境中存在的AOB[22]。相比而言，AOA的生長(zhǎng)溫度跨度較大，在0.2～97 ℃的生境中都可以檢測(cè)到AOA的存在[39-42]。例如，在農(nóng)業(yè)土壤中富集得到的AOA Candidatus Nitrososphaera sp. JG1、Nitrosotalea devanaterra、Nitrososphaera viennensis的最適生長(zhǎng)溫度為35～40 ℃[43-46]。此外，海洋環(huán)境中的常溫AOA的特異性生物標(biāo)記物完整極性膜脂也存在于高溫泉中[47-48]，表明有些AOA可能對(duì)溫度具有較強(qiáng)的耐受性。Taylor等在4～42 ℃溫度范圍內(nèi)對(duì)美國(guó)俄勒岡州不同氣候區(qū)土壤中AOA、AOB主導(dǎo)的硝化潛勢(shì)的溫度響應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估，并利用SQRT和MMRT模型進(jìn)行建模，同時(shí)量化了AOA和AOB的熱力學(xué)響應(yīng);建模數(shù)據(jù)表明，AOA和AOB主導(dǎo)的硝化潛勢(shì)的最佳溫度存在顯著差異，其中AOA主導(dǎo)的硝化勢(shì)最適溫度比AOB的高12 ℃[13]。Ouyang等在美國(guó)猶他州的農(nóng)業(yè)土壤中則發(fā)現(xiàn)，AOA主導(dǎo)的硝化勢(shì)最適溫度比AOB主導(dǎo)的高10 ℃[31]。AOA和AOB生長(zhǎng)/氨氧化的溫度敏感性也有顯著差異，AOB的Q10為1.7～27[30-31]，而AOA的Q10則大于5.0，表明AOA對(duì)溫度的響應(yīng)比AOB敏感。然而，Duan等卻發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期施肥的菜園土里，AOA的Q10比AOB的低[49]。

筆者分析AOA、AOB的生長(zhǎng)、氨氧化活性的最適溫度和溫度敏感性可能由以下因素決定：（1）AOA、AOB所處生境的環(huán)境溫度。從進(jìn)化的角度來(lái)看，在長(zhǎng)期的環(huán)境溫度選擇下，微生物能夠改變自身生理和遺傳特性，產(chǎn)生不同活性的同工酶，從而使生物酶的催化效率在環(huán)境溫度下達(dá)到最優(yōu)。Jiang等在研究4株亞硝化螺菌（Nitrospira）時(shí)發(fā)現(xiàn)，分離自挪威的菌株的最適生長(zhǎng)溫度為26～29 ℃，而分離自贊比亞的菌株的最適生長(zhǎng)溫度則為31～33 ℃[38]。然而，Alves等以在北極土壤中富集到的1株新型AOA（Candidatus Nitrosocosmicus arcticus strain Kfb）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其氨氧化的最佳溫度為20～28 ℃，遠(yuǎn)高于其分離環(huán)境北極的平均溫度（13～14 ℃）;由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度并不是唯一的決定因素[50-51]。（2）微生物特異性的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。AOA廣泛的溫度耐受范圍與其細(xì)胞膜特殊的甘油醚脂結(jié)構(gòu)有關(guān)，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得AOA在一些極端的溫度環(huán)境中有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而可主導(dǎo)這些生境中的氨氧化反應(yīng)[52]。（3）AOA、AOB氨氧化過(guò)程代謝機(jī)制及酶的差異;盡管AOA、AOB都利用氨分子作為能量代謝的底物，它們的氨氧化機(jī)制卻明顯不同。在AOB氨氧化過(guò)程中，氨分子首先在氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，簡(jiǎn)稱AMO）的作用下氧化成羥胺，再由羥胺氧化還原酶（hydroxylamine oxidoreductase，簡(jiǎn)稱HAO）氧化成亞硝酸。羥胺氧化釋放的4個(gè)電子由細(xì)胞色素c554轉(zhuǎn)運(yùn)給輔酶Q，隨后其中的2個(gè)電子再回傳到氨單加氧酶，用于啟動(dòng)氨氧化反應(yīng)，另外2個(gè)電子則沿著電子鏈繼續(xù)移動(dòng)[53-54]。AOA氨氧化的具體機(jī)制還不明確，AOA、AOB的氨單加氧酶的氨基酸相似性僅40%，在AOA中沒(méi)有找到HAO的編碼基因，并且除羥胺外NO也是AOA氨氧化過(guò)程中重要的中間產(chǎn)物[53-55]。一般來(lái)講，酶促反應(yīng)的步驟越多，所需要的活化能也越高，對(duì)溫度的響應(yīng)也越強(qiáng)烈。所以，不同的氨氧化機(jī)制可能也決定了AOA和AOB氨氧化過(guò)程的溫度敏感性。在Taylor等的試驗(yàn)中，通過(guò)MMRT模型建模進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在AOA群落中存在2種活性不同的AOA的 AMO， 在不同的溫度范圍對(duì)溫度的響應(yīng)不同，這種現(xiàn)象卻沒(méi)有在AOB群落中發(fā)現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)AOB的AMO比AOA的AMO表現(xiàn)出更大的負(fù)熱容值（ΔCp），暗示AOB的AMO的活性部位的柔性有所差異，具有與AOA的AMO不同的熱力學(xué)特性[13]。

3 氨氧化微生物豐度和群落對(duì)溫度的響應(yīng)

AOA和AOB不同的熱力學(xué)性質(zhì)決定了它們受溫度變化的影響不同，不同氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)則會(huì)直接影響其對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性[65-66]。例如，Osborne等對(duì)科羅拉多河流域3個(gè)高海拔棲息地的土壤（冰川、巖屑、草甸）進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)原位溫度變化范圍大的土壤有豐富的氨氧化微生物群落;在溫度變化范圍穩(wěn)定的土壤中，存在較為單一的氨氧化微生物群落[21]?？偟膩?lái)說(shuō)，在全球變暖背景下，適應(yīng)性低的氨氧化微生物的生態(tài)位將逐步被競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)的氨氧化微生物占領(lǐng)，從而使整個(gè)氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時(shí)，微生物群落也能通過(guò)積累和擴(kuò)散（基因的水平轉(zhuǎn)移）來(lái)適應(yīng)高溫環(huán)境的基因突變從而提高整個(gè)群落的適應(yīng)性。因此，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，土壤微生物群落很可能會(huì)向更適應(yīng)高溫環(huán)境的微生物群落轉(zhuǎn)變。有研究表明，AOA豐度和群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度較為敏感。Tourna等發(fā)現(xiàn)，在不同溫度（10～30 ℃）培養(yǎng)條件下，AOA的16S rRNA和amoA基因的變性梯度凝膠電泳（DGGE）獲得的分子指紋圖譜發(fā)生了明顯的變化，而AOB的群落結(jié)構(gòu)卻保持不變[65]。Taylor等發(fā)現(xiàn)當(dāng)夏末秋初環(huán)境溫度達(dá)到30～35 ℃時(shí)，AOA的豐度和活性明顯升高[67]。Lu等對(duì)來(lái)自不同土地利用方式和深度的土壤在不同溫度（20、30、40 ℃）下進(jìn)行培養(yǎng)，表層土壤（0～15 cm）的氨氧化潛勢(shì)明顯高于亞表層土壤（30～45 cm），并且在夏季、秋季的高溫中土壤硝化勢(shì)是由AOA主導(dǎo)的[68]。Szukics等則發(fā)現(xiàn)在土壤空隙含水量（WFPS）為70%時(shí)，AOB的豐度隨著溫度的升高而升高，而AOA的豐度則呈下降趨勢(shì);但在群落結(jié)構(gòu)方面，AOA的群落結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高迅速做出響應(yīng)，而AOB的群落結(jié)構(gòu)在5周后才體現(xiàn)出明顯的變化[66]。近年來(lái)，研究者利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)分子生態(tài)學(xué)分析方法，為氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的響應(yīng)提供了更為直接的證據(jù)。Zhang等采用13CO2-DNA-穩(wěn)定同位素標(biāo)記，比較了1種酸性水稻土在15、20 ℃等2種溫度下的活性氨氧化微生物群落，試驗(yàn)表明AOA和AOB均參與了硝化過(guò)程;在 20 ℃ 時(shí)，AOA群落有明顯的變化，AOB群落則保持穩(wěn)定;當(dāng)溫度為15～20 ℃時(shí)，活性氨氧化微生物由AOA向AOB轉(zhuǎn)變[25]。溫度的升高改變了AOA和AOB的相對(duì)豐度，以及AOA和NOB的群落組成從而提高了系統(tǒng)的硝化速率。由于土壤微生物群落極端復(fù)雜，以往的文獻(xiàn)并沒(méi)有就溫度對(duì)硝化微生物的影響機(jī)制達(dá)成一致結(jié)論。

土壤硝化微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的響應(yīng)也將直接影響環(huán)境中N2O的排放。土壤硝化作用可以通過(guò)直接和間接2種方式影響N2O的排放[16]。一方面，硝化微生物為反硝化微生物提供底物NO-2和NO-3，通過(guò)反硝化途徑被還原為N2O或N2;另一方面，氨氧化過(guò)程中可以直接產(chǎn)生N2O。盡管氨氧化過(guò)程中N2O的產(chǎn)生機(jī)制還不明確，但現(xiàn)有證據(jù)表明AOA和AOB的氨氧化過(guò)程中N2O的產(chǎn)生機(jī)制有明顯不同。AOB可以通過(guò)不完全的羥胺氧化反應(yīng)[69-70]和硝化反硝化過(guò)程產(chǎn)生N2O[16，71]。相反，目前沒(méi)有在AOA基因組中發(fā)現(xiàn)與N2O生成相關(guān)的酶，有研究者推測(cè)AOA氨氧化過(guò)程中N2O的形成主要是通過(guò)非生物過(guò)程，即羥胺和NO-2的化學(xué)降解生成[53，63]。研究者通常利用N2O和NO-x的比值來(lái)定量氨氧化過(guò)程中N2O的產(chǎn)量。AOB菌株的N2O的產(chǎn)量為0.1%～8.0%，受到氨氮和氧氣濃度的影響[38，72-74]。AOA培養(yǎng)物的N2O產(chǎn)量遠(yuǎn)低于AOB，僅為0.04%～0.30%，受氨氮和氧氣濃度的影響較小[57-58，63，73，75-76]。研究者利用選擇性的硝化抑制劑[如辛炔和2-苯基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-3氧代-1-氧（PTIO）]區(qū)分了土壤氨氧化過(guò)程中AOA和AOB對(duì)N2O產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，得出了與純培養(yǎng)、富集物中類似的結(jié)論[16];當(dāng)體系中AOB的生態(tài)位占據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí)，直接導(dǎo)致了N2O產(chǎn)量的增加，反之亦然[49，77-79]。然而，在全球變暖的背景下，硝化作用產(chǎn)生的N2O對(duì)氣候的反饋?zhàn)饔媚壳斑€不明確。一方面，溫度的升高能顯著增加酶促和化學(xué)反應(yīng)速率，增加N2O的釋放量;另一方面，溫度引起的硝化微生物群落的變化也將影響N2O的產(chǎn)量;如果隨著溫度的升高，氨氧化微生物群落中AOB的生態(tài)位逐漸被AOA取代，N2O產(chǎn)量將可能顯著降低，這有可能直接抵消升溫引起的N2O的增排。此外，在微生物呼吸中，研究者觀察到了熱適應(yīng)性，即在氣候變暖后土壤微生物通過(guò)降低生理活性以提高在高溫環(huán)境中的適應(yīng)性，從而減緩?fù)寥篮粑康纳遊80]。這種現(xiàn)象是否也在硝化微生物中存在還是未知。并且許多能夠影響土壤硝化微生物群落結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)的環(huán)境因子較多。未來(lái)的研究還需要更深入更精確，以期能夠解答此類問(wèn)題。

4 土壤硝化作用對(duì)溫度響應(yīng)的不確定性

土壤微生物硝化作用溫度響應(yīng)不僅與硝化微生物內(nèi)在的活性有關(guān)，還可能與溫度變化引起的各類間接因素相關(guān)[3，81]。溫度的變化既可以對(duì)土壤硝化微生物群落產(chǎn)生直接效應(yīng)，還可以通過(guò)改變土壤性質(zhì)、水分、底物的可利用性及其他生物過(guò)程等方式間接地影響土壤硝化微生物群落及其活性，具體方式如下：（1）溫度與土壤pH值之間的互作。溫度的升高會(huì)加快土壤硝化作用同時(shí)加速土壤酸化，pH值是影響AOA、AOB生態(tài)位分異的重要因素，同時(shí)pH值的降低會(huì)影響環(huán)境中的氨分子的可利用性[15，82]。Gubry-Rangin等發(fā)現(xiàn)AOA群落的溫度響應(yīng)依賴于土壤pH值，酸性土壤中AOA的最適溫度明顯低于中性土壤中的AOA[23]。（2）溫度改變導(dǎo)致土壤中水分含量變化，直接影響土壤的呼吸速率、氧氣擴(kuò)散及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[3]。Grundmann等發(fā)現(xiàn)土壤硝化速率與含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且不同溫度下硝化作用的最適含水率也具有顯著差異[18]。Avrahami等發(fā)現(xiàn)加利福尼亞草地土壤硝化潛勢(shì)和AOB群落結(jié)構(gòu)受到溫度、土壤含水率、肥料相互作用的影響。隨著土壤含水量、溫度的升高，硝化活性升高，亞硝化螺菌（Nitrosospira sp. AF-like）相對(duì)豐度降低[83]。（3）溫度變化會(huì)影響氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的速率及各過(guò)程間的相互作用。溫度升高導(dǎo)致土壤礦化作用的變化，直接影響了土壤中有機(jī)氮庫(kù)向無(wú)機(jī)氮庫(kù)的轉(zhuǎn)化率，從而間接影響到土壤中氨氧化微生物作用底物銨氮庫(kù)的濃度。例如，模擬增溫顯著增加了土壤中有效氮含量和氮素的礦化速率[84]。Lan等研究了2種水稻土，隨著培養(yǎng)溫度的升高，供試土壤的總氮轉(zhuǎn)化速率和凈氮轉(zhuǎn)化速率均有所增加[85]。然而，不同的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的溫度敏感性有所不同。在低溫（<15 ℃）下，與礦化作用相比，氮的固定作用和硝化作用對(duì)溫度更敏感。但供試土壤的總氮轉(zhuǎn)化速率的最適溫度是25 ℃。Wang等發(fā)現(xiàn)在草地系統(tǒng)中，2 ℃的升溫通過(guò)刺激土壤有機(jī)氮的礦化作用刺激AOB的生長(zhǎng)[86]。還有研究表明礦化作用會(huì)刺激部分AOA的生長(zhǎng)[87-88]。

5 結(jié)論與展望

在全球變暖背景下，土壤硝化作用的溫度響應(yīng)作為評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變暖反饋?zhàn)饔玫囊粋€(gè)潛在指標(biāo)應(yīng)該受到生態(tài)學(xué)家們的廣泛關(guān)注。本文從土壤硝化速率溫度響應(yīng)、硝化微生物群落結(jié)構(gòu)及活性的溫度響應(yīng)、其潛在機(jī)制和土壤硝化作用不確定性等方面對(duì)土壤硝化作用的溫度響應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析。本文認(rèn)為土壤硝化作用的溫度響應(yīng)是硝化微生物在群落尺度上適應(yīng)性的體現(xiàn)，建立在微生物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的理論之上。針對(duì)土壤硝化微生物菌株和復(fù)雜的土壤硝化微生物群落，研究者們?cè)趯?shí)驗(yàn)室培養(yǎng)或微宇宙培養(yǎng)等試驗(yàn)中評(píng)估了土壤硝化作用及硝化微生物的溫度響應(yīng)及其影響因素。今后的研究應(yīng)該從硝化微生物及其群落生理和生態(tài)學(xué)調(diào)查轉(zhuǎn)向更加深入的討論，以下方面應(yīng)成為今后的研究重點(diǎn)。

（1）須要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)土壤硝化微生物氨氧化機(jī)制及硝化微生物間的互作研究。目前AOA及新發(fā)現(xiàn)的comammox的氨氧化機(jī)制和N2O的產(chǎn)生機(jī)制尚不清晰;盡管氨氧化是傳統(tǒng)硝化過(guò)程中的限速步驟，但氨氧化微生物、亞硝酸氧化微生物間的相互作用對(duì)硝化作用的影響也不容忽視。上述2個(gè)方面內(nèi)容決定了硝化微生物的熱力學(xué)特性及氣候變暖條件下它們可適應(yīng)的時(shí)間與環(huán)境中的硝化作用強(qiáng)度，這些對(duì)預(yù)測(cè)土壤硝化作用未來(lái)的變化趨勢(shì)至關(guān)重要。

（2）探究硝化微生物的熱適應(yīng)性及其機(jī)制。短期來(lái)看，全球變暖能顯著增加土壤中的酶促反應(yīng)速率，加快土壤微生物的硝化作用。不過(guò)，長(zhǎng)期來(lái)看，土壤微生物群落會(huì)改變其生理特征或通過(guò)基因型的改變來(lái)適應(yīng)溫度的變化[89]。目前，微生物熱適應(yīng)性的進(jìn)化研究主要集中在微生物呼吸的熱適應(yīng)性方面。硝化微生物的熱適應(yīng)性相關(guān)的研究很少，應(yīng)從種群尺度到群落尺度對(duì)硝化微生物的熱適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)硝化微生物能否適應(yīng)高溫和如何適應(yīng)高溫等問(wèn)題進(jìn)行探討。

（3）探索復(fù)雜環(huán)境因子、氣候變化因子對(duì)土壤硝化作用溫度響應(yīng)特征的影響;在土壤群落水平上探究溫度對(duì)生物過(guò)程的影響，及其對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔镁褪且粋€(gè)生物和非生物因素相互影響的復(fù)雜過(guò)程，在硝化微生物的生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)上，須要更加系統(tǒng)地研究環(huán)境、氣候因子間的相互作用對(duì)硝化作用溫度響應(yīng)特征的影響。

（4）在大尺度范圍內(nèi)建立土壤硝化作用的溫度響應(yīng)與硝化微生物的群落特征的聯(lián)系，同時(shí)引入模型評(píng)估硝化微生物N2O排放對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔?，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化的趨勢(shì)。

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