科研 | SBB：Meta分析-多种全球变化因子对土壤微生物多样性有负面影响(国人佳作)

1. 多种全球变化因子对土壤微生物多样性的影响

非参数Cochran’s Q-检验结果表明，在干湿循环下，只有在干湿循环因子下，土壤真菌的多样性才具有潜在发表偏倚（表1）。同时，土壤微生物多样性的相对频度呈正态分布（图S1）。另外，所有观测值的残差（Q_E）和总异质性（Q_M），均服从χ2分布（表S1-3），表明全球变化因子显著影响微生物的多样性。

多种全球变化因子都对微生物多样性产生负影响，细菌和真菌多样性分别平均下降了2.9%（-0.8~-5.0，95%的置信区间）和3.5%（-1.6~-5.4，95%的置信区间）。对不同的全球变化因子而言，对微生物多样性产生负影响的是：降水减少（降水-）、氮增加（eN）、干湿循环、干旱因子，对微生物多样性产生正影响的是：二氧化碳升高（eCO₂）、变暖、降水增加（降水+）因子。

对于多种全球变化因子的交互作用而言，对细菌多样性产生负影响的是：二氧化碳升高（eCO₂）×变暖、变暖×降水增加（降水+）、氮增加（eN）×降水增加（降水+），而对细菌多样性产生正影响的是：二氧化碳升高（eCO₂）×降水增加（降水+）。对真菌多样性产生负影响的是：二氧化碳升高（eCO₂）×降水增加（降水+）、升温×氮增加（eN）、升温×降水增加（降水+）、氮增加（eN）×降水增加（降水+），而二氧化碳升高（eCO₂）×氮增加（eN）对真菌多样性没有显著影响。值得注意的是，全球变化三因子的交互作用比单因子或二因子的交互作用更强（表2，图4）。

图1. 全球变化因子对土壤微生物群落影响的模型图，以陆地生态系统碳（C）、氮（N）、水（H₂O）微生物代谢循环为基础。黄色箭头表示光合作用、蒸腾作用和呼吸作用；黑色箭头表示能量或元素流动；椭圆表示大气中的养分和H₂O；矩形代表养分；六角形与红色阀门表示由土壤微生物群落控制的土壤过程。太极符号表示不同养分循环由不同营养关系的细菌和真菌驱动，包括激发效应、续埋效应、以及土壤呼吸作用。

图2. 本荟萃分析研究地点的（全球）分布。全球变化因子包括二氧化碳升高（eCO₂）、变暖、氮增加（eN）、干湿循环、干旱、降水减少（降水-）和降水增加（降水+）。

图3. 土壤细菌（左）和真菌（右）多样性的效应值（lnRR）对全球变化因子的响应。包括单因子作用如：二氧化碳升高（eCO₂）、变暖、氮增加（eN）、干湿循环、干旱、降水减少（降水-）、降水增加（降水+），以及二因子交互作用如：二氧化碳升高（eCO₂）×变暖、二氧化碳升高（eCO₂）×干旱、二氧化碳升高（eCO₂）×氮增加（eN）、二氧化碳升高（eCO₂）×降水增加（降水+）、变暖×氮增加（eN）、变暖×降水增加（降水+）、氮增加（eN）×干旱、氮增加（eN）×降水增加（降水+）。右侧的数字表示样本量。误差线表示95％置信区间（CI），当其不与0重叠时，代表显著，即p<0.05。因此，红心符号代表负效应，蓝色符号代表正效应，灰色符号代表无显著效应，即p>0.05。

图4. 土壤细菌（左）和真菌（右）多样性的效应值（lnRR）对全球变化因子的响应。。包括三因子作用如：二氧化碳升高（eCO₂）×变暖×氮增加（eN）、二氧化碳升高（eCO₂）×变暖×降水增加（降水+）、二氧化碳升高（eCO₂）×变暖×干旱、二氧化碳升高（eCO₂）×氮增加（eN）×干旱、二氧化碳升高（eCO₂）×氮增加（eN）×降水增加（降水+）、二氧化碳升高（eCO₂）×干旱×降水增加（降水+）、变暖×氮增加（eN）×降水增加（降水+）、变暖×氮增加（eN）×干旱。右侧的数字表示样本量。误差线表示95％置信区间（CI），当其不与0重叠时，代表显著，即p<0.05。因此，红心符号代表负效应，蓝色符号代表正效应，灰色符号代表无显著效应，即p>0.05。

2. 土壤微生物多样性的驱动因子

不同的生态系统下土壤微生物多样性的变化程度有所不同。其中影响最强的是农田生态系统（细菌多样性：-0.053~-0.017；真菌多样性：-0.055~-0.023；95%的置信区间）和草地生态系统（细菌多样性：-0.043~-0.021；真菌多样性：-0.047~-0.025；95%的置信区间）；而沙漠（p>0.05）和冻原（p>0.05）生态系统没有显著影响（图S2）。此外，土壤微生物多样性随年平均温度（MAT）直线下降（p<0.01，图S3）。土壤因子（土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC））对土壤微生物多样性有强烈影响（图5A和B，表S4-5）。随机森林分析进一步表明，土壤因子（尤其是土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC））和年平均温度（MAT）对土壤微生物多样性的影响最为明显（图5C和D）。

结构方程模型具有很高的比较拟合指数（CFI，>0.90），较小的赤池信息量准则（AIC），较小的卡方值（χ²），以及较小的近似误差均方根（RMSEA，<0.05），因此，该模型满足条件。模型结果显示，土壤因子（p<0.05）和年平均温度（MAT，p<0.05）对细菌和真菌的多样性都有负影响，而生态系统类型对土壤微生物的多样性没有显著影响（p>0.05）（图6A、C）。因此，我们在模型中删除了生态系统类型这一指标。最终的模型中，土壤因子、年平均温度（MAT）和年平均降雨量（MAP）对土壤细菌多样性解释率达到76.4%（图6A，p=0.603，χ²=7.169，CFI=0.961，AIC=7.163，RMSEA= 0.002），对真菌多样性的解释率达到83.3%（图6C，p=0.689，χ²=8.155，CFI=0.972，AIC=6.154，RMSEA =0.001）。直接和间接影响的标准化效应值（图6B、D）显示，全球变化通过土壤因子（尤其是土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC））和年平均温度（MAT）间接影响土壤微生物的多样性，该结果同主成分PCA分析和随机森林分析结果相符。

图5. 不同生态系统下土壤微生物多样性，即（A）土壤细菌多样性和（B）土壤真菌多样性的主成分分析（PCA）。（一）。组内相关结果在表S4和S5中显示。随机森林分析确定（C）土壤细菌多样性和（D）土壤真菌多样性的最佳个体预测因子。预测因子包括年平均温度（MAT）、年平均降水量（MAP）、以及土壤因子的pH值、容重（BD）、有机碳（SOC）、总氮（STN）和微生物量碳（SMBC）。生态系统类型包括农田、草地、森林、灌木丛、沙漠、湿地和冻原。

图6. 结构方程模型（SEM）描述了全球变化因子对土壤微生物多样性的影响。（A）土壤细菌的多样性：p=0.603，df= 20，χ²=7.169，相对拟合指数=0.961，赤池信息量准则=7.163，渐进误差均方根=0.002。（C）土壤真菌多样性：p= 0.689，df= 20，χ²=8.155，相对拟合指数=0.972，赤池信息量准则=6.154，渐进误差均方根=0.001。（B）土壤细菌多样性的总体、直接、间接标准化影响。（D）土壤真菌多样性的总体、直接、间接标准化影响。红色和蓝色箭头分别代表显著的负影响和正影响，而灰色虚线箭头则代表无显著影响。箭头旁边的数字是标准化的路径系数，即相对回归权重。箭头的粗细与标准路径系数成正比。箭头的宽度与关系强度成正比。*表示p<0.05，**表示p <0.01。

土壤细菌和真菌的多样性对生态系统的结构和功能有关键影响。然而，人们对全球变化下微生物的关注不及其他生物。实验研究和荟萃分析结果都表明土壤微生物多样性对全球变化的响应不同。但是，既往研究大都局限于单一的全球变化因子，很少有研究评估多种全球变化因子对微生物多样性的综合影响。通过基于大样本数据调查的荟萃分析方法，我们发现，多种全球变化因子对土壤微生物多样性产生负影响，而全球变化二因子和三因子的交互作用产生的负影响作用更强。这些影响主要与土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC）相关。我们将通过以下几个方面进一步讨论微生物多样性应对全球变化的潜在响应机制。

1. 全球变化单因子对土壤微生物多样性的影响

1.1. 降水变化对土壤微生物多样性的影响

降水可通过改变土壤水的可利用性直接改变土壤微生物的丰度和组成，也可通过改变植物群落的组成和生产力间接改变土壤微生物的丰度和组成。最近，Knapp等引入了双重非对称模型来揭示地上净初级生产力（ANPP）与降水量变化之间的关系。然而，土壤微生物多样性对降水变化的响应在当前尚无共识。在本荟萃分析中，降水增加（降水+）对土壤微生物多样性产生正影响，而降水减少（降水-）对土壤微生物多样性产生负影响（图3），且负效应大于正效应，导致最终表现为净负效应。这说明土壤微生物多样性对降水变化的响应也可能遵循双重非对称模型，这应通过对照实验加以验证。我们的结果与先前的研究一致，即湿润环境下微生物的多样性要比干燥环境更高。降水减少（降水-）会降低土壤水的可利用性以及微生物的底物供应，从而降低微生物的多样性。相反，降水增加（降水+）提高了土壤水分的可利用性，增加了植物生产力和土壤有机质，从而促进微生物生长，最终导致微生物多样性增加。

1.2 干湿循环对土壤微生物多样性的影响

水文循环加剧也是全球变化的一个特征，以水分蒸发和降水强度的变化为代表。这种变化可能会影响土壤干湿循环的强度和频率。但是，干湿循环对真菌和细菌群落的影响是不一致的。例如，与细菌不同，真菌可以以极低的水势在土壤中保持活性。Engelhardt等报道说，在温带草原上，土壤真菌比细菌对干湿循环的敏感度更强。但是，Scheu和Parkinson发现细菌和真菌对干湿循环更敏感性相同。本荟萃分析表明，干湿循环降低了土壤微生物的多样性（图3），这与Luo和Ren等人的研究一致。为了在干旱条件下生存，土壤微生物群体可能会发生聚集以避免脱水或死亡。当水势低于某个阈值时，土壤微生物种群的丰度和多样性将大大降低。再次润湿后，土壤水将浸没微生物细胞，可能会导致其细胞破裂死亡，从而降低微生物的新陈代谢和多样性。

此外，频繁的干湿交替可能会改变特定微生物群的组成，例如，具有快速生长速度的嗜营养微生物，可能会通过改变微生物的群落组成来适应土壤水势的频繁变化。因此，未来有必要研究适于干湿循环的微生物群落。

1.3 气候变暖对土壤微生物多样性的影响

由于温室气体（例如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）浓度增加，在21世纪，地球的表面温度将升高1.0~3.7℃。多项研究表明，变暖加速了区域土壤微生物多样性的下降。然而，我们的荟萃分析结果显示，全球范围内变暖对土壤微生物多样性有正影响（图3）。大多数生态模型预测，气候变暖会增加地表土壤温度、酶活性、土壤呼吸速率，并刺激土壤有机碳（SOC）分解。有研究显示，气候变暖提高了植物的生产力和植物对土壤的碳输入，导致土壤微生物群落的结构和多样性发生变化。此外，变暖会使的有机物分解增加，增加了微生物生长所需的养分，最终可能提高微生物的多样性。

1.4 二氧化碳升高（eCO₂）对土壤微生物多样性的影响

预计到2050年，大气中的CO₂浓度会增加，最高可达450-600ppm。据报道，随着二氧化碳升高（eCO₂），微生物的生物量和多样性有可能产生完全不同的变化。在本荟萃分析中，我们发现二氧化碳升高（eCO₂）提高了土壤细菌和真菌的多样性（图3）。有研究显示，二氧化碳升高（eCO₂）可增加固碳微生物群的数量并增强光合碳的生成和向土壤的输入，这些变化可加快土壤微生物呼吸速率和有机碳（SOC）周转。另外二氧化碳升高（eCO₂）有利于有机碳（SOC）积累，为微生物的生长提供资源，可以改变微生物的生态策略。比如，在二氧化碳升高（eCO₂）的环境条件下，由于底物可用性的提高，原本在温带草原上占主导地位的缓慢生长的微生物群（k选择菌种）可被快速生长的微生物群（r选择菌种）代替。尽管已有研究报道二氧化碳升高（eCO₂）对土壤微生物多样性有积极影响，但仍缺乏相应的解释机制，这需要未来进一步的研究。

1.5 干旱对土壤微生物多样性的影响

在干旱条件下，为防止脱水，微生物必须通过积累高浓度的溶质（渗透质）来保证存活。在干旱胁迫下，超过10%的微生物生物量可能被束缚在渗透液中，以应对土壤低水势。因此，微生物对干旱的响应取决于其代谢灵活性和生理状况。在本次荟萃分析中，我们发现干旱在全球范围内降低了土壤微生物的多样性（图3）。这一结果与以下因素有关：（1）干旱降低了植物的生产力、覆盖物和凋落物的质量，减少了土壤养分的供应并限制了微生物的繁殖；（2）干旱条件下水分含量较低，减少了土壤养分的流动性，但增加土壤通气，以上二者都会降低微生物多样性。

我们的荟萃分析还发现，干旱对真菌多样性的影响大于细菌（图3），这是因为真菌能够在比细菌低的水势下保持活性。通常人们认为真菌比细菌更耐旱，因为它们能够形成大型的菌丝网络，促进长距离的水分运输，从而使它们能够接触植物根部无法到达的充满水的土壤孔隙。尽管许多细菌具有渗透调节机制，但它们通常更容易受到干旱的影响，因为它们需要通过土壤团聚体和土壤表面的水膜来弥散和扩散基质。

1.6 氮增加（eN）对土壤微生物多样性的影响

大量证据表明，全球氮增加（eN）可以直接改变土壤微生物数量和组成，或通过降低土壤pH值或有机碳有效性间接影响土壤微生物数量和组成。这是由于高浓度的氮对某些腐生微生物有毒性作用，进而导致微生物多样性减少。正如预期，我们发现氮增加（eN）对不同生态系统的土壤微生物多样性的都产生负影响（图3），这与先前的研究一致。这是因为，氮素输入可增强土壤氮素的利用和土壤酸化，进而增加亚硝化胁迫或硝化胁迫对非氮养分的竞争，从而抑制土壤微生物活动。另一方面，养分利用率的提高改善了微生物养分利用策略，因此氮增加（eN）也有利于土壤微生物活性。如果氮沉降速率继续增加，则需要制定有效措施来抑制氮增加（eN）对全球微生物多样性下降的影响。

2. 全球变化多因子交互作用对土壤微生物多样性的影响

在本荟萃分析中，土壤微生物多样性受全球变化多因子交互作用的影响（图3，表2）。由于全球变化因素在时间和空间上都比较复杂且经常同时发生，因此微生物群落对多种全球变化因子的响应非常复杂。两个或多个全球变化因子之间的相互作用可能导致叠加或拮抗效应。例如，二氧化碳升高（eCO₂）和变暖经常同时发生，这会导致区域范围内的干旱，因此二者通常会对土壤微生物多样性产生叠加效应。此外，二氧化碳升高（eCO₂）和氮增加（eN）可能对真菌多样性产生拮抗效应。这些结果表明，多种全球变化因子可以综合起来调节土壤微生物的多样性。然而，大多土壤微生物多样性数据主要是基于短期实验。对多种全球变化因素进行长期试验对于评估它们对微生物过程和多样性的相互作用至关重要。

我们的SEM模型显示，全球变化因子通过改变土壤因子（尤其是土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC））和年平均温度（MAT）间接影响土壤微生物多样性。土壤pH与细菌和真菌多样性呈负相关关系，这再次强调了土壤pH值是全球范围内微生物多样性的主要预测因子，这与之前的研究结果一致。土壤有机碳（SOC）和容重（BD）与细菌和真菌多样性均呈正相关关系，这表明，全球变化因子主要通过影响土壤pH、容重（BD）和有机碳（SOC）来间接影响土壤微生物多样性。

总之，本荟萃分析为土壤微生物多样性对多种全球变化因子的响应提供了新的视角。我们得出的结论如下：二氧化碳升高（eCO₂）和增温对土壤微生物多样性产生正影响，而氮增加（eN）、干湿循环和干旱对土壤微生物多样性产生负影响；多种全球变化因子对土壤微生物多样性的影响的净效应为负；土壤微生物多样性随年平均温度（MAT）线性降低，且其高度依赖气候条件；特别是，全球变化多因子的相互作用对土壤微生物多样性的综合影响要大于单因子的作用。总体而言，本研究提高了我们对全球变化下土壤微生物多样性变化及其驱动因子的理解。这对于全球地球微生物组计划（https://www.earthmicrobiome.org/）的实施至关重要。