土壤生物多样性：守望变化中的蓝色星球
导 读
为迎接2020年第七个世界土壤日“保持土壤生命力，保护土壤生物多样”的到来，中国土壤学优秀英文期刊Pedosphere推出“土壤生物多样性与快速变化的世界”特刊，共13篇文章。为了让读者快速了解这些信息量巨大的重磅文章，《土壤观察》特意将第一篇的导言文章进行翻译，并对余下的12篇的文章作了简要推介。期待您的喜欢。翻译水平有限，敬请指正。
出处：Pedosphere Vol.30特刊Special Issue: Soil Biodiversity in a Rapidly Changing World
陈能场译，贾仲君审校
土壤生物多样性与快速变化的世界
原文：贾仲君，David Myrold和Ralf Conrad
(Zhongjun JIA, DavidD. MYROLD, Ralf CONRAD. 2020. Soil biodiversity in a rapidly changing world.Pedosphere. 30:1-4)
土壤构成了地球活的皮肤，孕育了地球最高的生物多样性，决定了人类波澜壮阔的全部进化史，在粮食生产，环境保护，生态文明建设等方面发挥了不可替代的作用。事实上，土壤微生物常被比拟为地球元素良性循环的“发动机”、作物养分高效的“转化器”、环境污染的“净化器”、全球变化的“稳定器”。
据此，针对土壤生物多样性与快速变化的环境，Pedosphere期刊特别邀请中国科学院爱因斯坦讲习教授、德国马普陆地微生物研究所RalfConrad教授，美国土壤学会会刊主编David Myrold教授，中国科学院南京土壤研究所贾仲君研究员共同组织了一期专刊，围绕全球变化、土壤地力提升、植物-微生物互作机制，土壤生物的四维视角、土壤生物多样性产生与维持机制等主题，介绍了相关前沿研究进展。
土壤微生物与温室气体减排
甲烷是一种重要的温室气体，而湿地对全球甲烷排放量的贡献高达20％。土地利用方式变化极大改变甲烷排放量。田间观测和室内模拟均发现，旱地改为水田后，土壤中产甲烷微生物数量增幅最少100倍，最高可达上万倍。这些微生物的快速增加，主要与环境变化相关，如旱地土壤淹水后，有机物发酵过程增强，乙酸盐和H2等物质含量显著增加，刺激了不同类群的产甲烷菌生长。未来通过优化农业管理方式，将可能发展更合理的温室气体甲烷减排策略。
旱地土壤则是温室气体氧化亚氮（N2O）的重要源，而N2O的增温潜能约为CO2的300倍。氮循环关键功能基因，如nirS和amoA，在微生物源N2O排放过程中起着至关重要的作用。针对我国东北典型黑土区，研究发现土壤pH，硝酸盐含量是土壤N2O排放功能基因的关键环境驱动力。
土壤微生物与地力提升
针对智利Llaima火山喷发土壤，通过调查350余年时间尺度下的土壤地力形成过程，发现不同世纪（1640年、1751年和1957年）形成的土壤微生物多样性随着土壤年龄的增长而增加。在所有土壤中奇古菌门基本稳定；而最年轻的土壤中广域古菌稀少，但却蕴藏了大量绿弯菌门细菌，表明这些土壤生物类群可能深度参与了地上植物凋落物和残渣的降解，在地力形成过程中发挥了重要作用。
土壤-植物-微生物互作
化肥和农药过量施用对土壤可持续性和全球粮食安全提出了巨大挑战，土壤微生物多样性则可能提供重要的解决方案。植物根际促生菌（PGPR）不仅可以部分替代氮肥，也可用于植物病害的生物防治，如热带根瘤菌CIAT 899可以协同控制四种不同类型的立枯丝核病原真菌种。同时，土壤微生物可产生激素物质，作为信号分子促进植物生长，通过空间和资源竞争更好抑制病原菌。
四维视角下的土壤生物多样性
传统土壤生物多样性研究更多聚焦于土体的三维立体结构，然而，生物多样性是生命有机体的集合，时间尺度不仅是多样性的第4维度，也代表了土壤组学研究的最大挑战。事实上，目前人类对自然发生的微生物生活史及其多样性的实时适应策略几乎一无所知。同时，土壤采样、存储、核酸DNA获取、测序以及下游生物信息分析均可能带来一定的偏差。土壤被认为是有生命的实体，而生命最大的特征是生活史及其适应策略，增加土壤生物多样性的时间维度，深刻理解四维尺度下的土壤生物多样性演化机制具有重要意义。
土壤微生物多样性的产生与维持机制
每克土壤中含有上亿个微生物，但这些海量的微生物多样性似乎与土壤功能多样性并非完全一致。据此，研究人员探索了宏观生态学中系统发育保守性理论在土壤生物多样性产生与维持中的应用，通过构建六种模式，定量描绘了不断变化的土壤基质中，具有无限数量非生物和生物因子的相互作用机制及其驱动力来源。利用44年的长期草地定位试验，结果发现施肥导致在田间硝化微生物群落和功能发生显著变化，为土壤生物多样性维系提供了重要参考。
结语
每克土壤最多含有800万种不同的生物类群，蕴藏的遗传信息是人类基因组的1000倍之多。这些海量的微生物是工农业生产、医药卫生和环境保护等领域的重要资源，已经成为新一轮科技革命的重要战略高地。可以预见，随着先进技术的快速发展，人类有望全面解析30亿年以来土壤生物多样性的生活史与进化史，深度发掘重要生物资源，调控生物功能，更好地服务于人类生产和生活。
Pedosphere期刊特刊的其他12篇文章简介
2. Paolo NANNIPIERI, Judith ASCHER-JENULL,Maria Teresa CECCHERINI, Giacomo PIETRAMELLARA, Giancarlo RENELLA and MichaelSCHLOTER. 2020. Beyond microbial diversity for predicting soil functions: Amini review. Pedosphere. 30: 5-17
【微生物多样性预测土壤功能的问题与展望】
土壤中微生物驱动了各种生物化学反应过程，在不同时空尺度下影响土壤功能。该综述针对以下4个问题，分析了微生物多样性预测土壤功能的现状与问题：i）基于DNA研究微生物多样性的利弊，ii）偶联微生物多样性与土壤功能的可能性，iii）网络分析方法预测微生物相互作用的利弊，以及iv）整合利用多组学技术，更好地预测土壤功能的前沿与展望。
3. JIA Y and WHALEN KJ. 2020. A newperspective on functional redundancy and phylogenetic niche conservatism insoil microbial communities. Pedosphere. 30: 18-24
【土壤微生物群落功能冗余和系统发育生态位保守性耦合分析的新视角】
土壤微生物群落的功能冗余似乎与多物种群落中各个物种具有独特的代谢生态位的观点相矛盾，所有土壤微生物群落均具有“基本”的代谢功能（例如，呼吸作用以及氮和磷循环）。也有一些数量占弱势的土壤微生物参与“稀有”功能（例如，难降解有机污染物的矿化以及产甲烷过程）。该文利用系统发育生态位保守性理论解释土壤微生物的功能冗余。通过建立概念模型，具体分析了六种不同模式情境下，土壤微生物群落功能冗余与系统发育生态位保守性的耦合分析理论假设及其适用性。
4. CONRAD R. 2020. Importance ofhydrogenotrophic, aceticlastic and methylotrophic methanogenesis for methaneproduction in terrestrial, aquatic and other anoxic environments: A minireview. Pedosphere. 30: 25-39
【不同微生物代谢模式（氢营养型、乙酸盐型和甲基营养型）对陆地和水生厌氧环境中产甲烷过程的相对贡献分析及展望】
微生物甲烷生成是温室气体甲烷（CH4）的主要来源，是耗尽无机电子受体（如硝酸盐，铁离子或硫酸盐）后有机物厌氧降解的最后一步，深刻理解不同底物介导的产甲烷代谢模式及其对产甲烷的相对贡献，对于建立生物地球化学过程模型、预测未来的全球甲烷排放情景以及制定减排策略非常重要。
5 GOSWAMI M and DEKA S. 2020. Plantgrowth-promoting rhizobacteria—alleviators of abiotic stresses insoil: A review. Pedosphere. 30: 40-61
【土壤胁迫的减压器：植物促生根际菌综述】
随着人口的不断增加，化学肥料的广泛施用产生了大量的土壤非生物胁迫，成为作物高产高效和全球粮食安全的主要制约因素。该文综述了植物根际促生菌在防控土壤胁迫方面的重要作用，展望了土壤生物多样性的发展趋势，为发展生态可持续和经济最优化的未来农业管理模式提供了理论参考。
6. WATANABE T, ASAKAWA S and HAYANO K.GOSWAMI M and DEKA S. 2020. Long-term submergence of non-methanogenic oxicupland field soils helps to develop the methanogenic archaeal community asrevealed by pot and field experiments. Pedosphere. 30: 62-72
【旱地改水田促进产甲烷古菌群落的形成】
产甲烷古菌的群落结构相对稳定，即使在水稻土中，无论植稻淹水或排水烤田期间，产甲烷菌都保持较高丰度，且组成变化较小。但旱改水的土地利用方式影响报道较少，该文研究发现，无论室内盆栽或野外田间试验，旱地农田改为淹水植稻管理方式后，产甲烷古菌数量显著增加，类群多样性发生了明显变化。
7. Xiaojing HU, Junjie LIU, Dan WEI, PingZHU, Xi'an Cui, Baku Zhou, Xueli CHEN, Jian JIN, Xiaobing Liu and GuanghuaWANG. 2020. Chronic effects of different fertilization regimes on nirS-typedenitrifier communities across the black soil region of Northeast China.Pedosphere. 30:73-86
【长期不同施肥管理对东北黑土地区反硝化菌nirS基因多样性的影响研究】
反硝化是造成耕地土壤氮损失的重要过程之一，该文研究了含有nirS基因的反硝化菌群落对长期不同施肥方式的响应，发现地理位置而非长期施肥是决定nirS型反硝化菌群落结构的主要因素，相同或相似的长期施肥制度并未在我国东北典型黑土区引起nirS型反硝化剂群落趋同化规律。
8. Zhongjun JIA, Xue ZHOU, Weiwei XIA,Dario FORNARA, Baoshan WANG, Elizabeth Anne WASSON, Peter CHRISTIE, MartinF.POLZ and David D. MYROLD. 2020. Evidence for niche differentiation ofnitrifying communities in grassland soils after 44 years of different fieldfertilization scenarios. Pedosphere. 30: 87-97
【44年施肥模式下草地土壤硝化微生物生态位分化的证据】
长期施氮及可能影响农田土壤硝化群落，但生态位理论的相关证据仍然知之甚少。该文针对英国典型草地土壤44年不同施肥模式，发现有机肥和无机肥施用塑造了不同的硝化微生物类群和活性，揭示了这些微生物适应环境变化的生态位分异规律。
9. Linnajara DE VASCONCELOS MARTINSFERREIRA, Fernanda DE CARVALHO, Júlia FONSECA COLOMBOANDRADE, Damiany PADUA OLIVEIRA, Flávio HenriqueVASCONCELOS DE MEDEIRO and Fatima Maria DE SOUZA MOREIRA. 2020. Co-inoculationof selected nodule endophytic rhizobacterial strains with Rhizobium tropicipromotes plant growth and controls damping off in common bean. Pedosphere.30:98-108
【根际内生菌与根瘤菌混合接种的促生作用及其对大豆立枯病的防控效果】
该文研究了14株根际内生菌与大豆根瘤菌共接种的农业生产效果，筛选获得了两种内生菌的混合接种模式，为巴西大豆立枯病防控和促生高产提供了重要的微生物菌种资源。
10. Rachel E. DANIELSON, Megan L. MCGINNIS,Scott M. HOLUB, David D. MYROLD. 2020. Soil fungal and prokaryotic communitystructure exhibits differential short-term responses to timber harvest in thePacific Northwest. Pedosphere. 30:109-125
【太平洋西北地区森林采伐对土壤真菌和原核微生物群落结构的影响研究】
传统的清场式森林砍伐（皆伐）是太平洋西北地区森林管理的重要方式，该文发现森林砍伐后原核生物alpha生物多样性显著增加，但真核生物则表现出较大的空间变异性，但砍伐显著降低内生真菌丰度，增加了腐生真菌的丰度。这些结果有利于深入了解土壤生物多样性在森林生态系统演替过程中发挥的重要作用。
11. Marcela HERNáNDEZ, Marcela CALABI,Ralf CONRAD, Marc G. DUMONT. 2020. Analysis of the microbial communities insoils of different ages following volcanic eruptions. Pedosphere.30:126-134
【火山喷发后不同年龄土壤微生物群落演替规律研究】
火山喷发是土壤形成的重要方式之一，也是研究土壤形成过程的模式研究体系，特别是先锋细菌和/或古细菌在成土过程中的作用。该文针对智利火山喷发后形成的土壤演替系列，发现微生物多样性随土壤年龄增加而增加，奇古菌在所有土壤中的丰度基本一致，而广域古菌与绿弯菌门微生物类群则随着土壤演替丰度增加，可能在有机质转化与累积中发挥了重要作用。
12. Kenna E. REWCASTLE, Jessica A.M. MOORE,Jeremiah A. HENNING, Melanie A. MAYES, Courtney M. PATTERSON, Gangsheng WANG,Daniel B. METCALFE and Aimée T. CLASSEN. 2020. Investigatingdrivers of microbial activity and respiration in a forested bog. Pedosphere.30:135-145
【解析森林沼泽微生物活性和土壤呼吸的驱动力】
北半球泥炭地仅占全球陆地面积的3%，但却储存了近三分之一的陆地碳（C）。该文通过稳定性13C-碳水化合物示踪，发现土壤水分是限制微生物活性及呼吸强度的关键环境因子。研究结果为进一步区分全球尺度下不同环境因子对土壤碳循环的影响提供了理论参考和技术支撑。
13. Sascha M.B. KRAUSE, Anja B. DOHRMANN,Osnat GILLOR, Bent T. CHRISTENSEN, Ines MERBACH and Christoph C. TEBBE. 2020.Soil properties and habitats determine the response of bacterial communities toagricultural wastewater irrigation. Pedosphere. 30:146-158
【土壤属性与生境特质决定了细菌群落对农田污水灌溉的响应模式】.
气候变化将会导致未来农业生态系统对灌溉的需求增加。该文研究了二级处理污水灌溉对农田土壤微生物多样性的影响，结果发现变形菌、拟杆菌、放线菌和浮霉菌门的微生物类群对污灌最为敏感，而土壤物理结构能够更好保护微生物多样性，特别是土壤粘粒含量和有机质在其中发挥了重要作用。