導 讀
為迎接2020年第七個世界土壤日「保持土壤生命力，保護土壤生物多樣」的到來，中國土壤學優秀英文期刊Pedosphere推出「土壤生物多樣性與快速變化的世界」特刊，共13篇文章。為了讓讀者快速了解這些信息量巨大的重磅文章，《土壤觀察》特意將第一篇的導言文章進行翻譯，並對餘下的12篇的文章作了簡要推介。期待您的喜歡。翻譯水平有限，敬請指正。
出處：Pedosphere Vol.30特刊Special Issue: Soil Biodiversity in a Rapidly Changing World
陳能場譯，賈仲君審校
土壤生物多樣性與快速變化的世界
原文：賈仲君，David Myrold和Ralf Conrad
(Zhongjun JIA, DavidD. MYROLD, Ralf CONRAD. 2020. Soil biodiversity in a rapidly changing world.Pedosphere. 30:1-4)
土壤構成了地球活的皮膚，孕育了地球最高的生物多樣性，決定了人類波瀾壯闊的全部進化史，在糧食生產，環境保護，生態文明建設等方面發揮了不可替代的作用。事實上，土壤微生物常被比擬為地球元素良性循環的「發動機」、作物養分高效的「轉化器」、環境汙染的「淨化器」、全球變化的「穩定器」。
據此，針對土壤生物多樣性與快速變化的環境，Pedosphere期刊特別邀請中國科學院愛因斯坦講習教授、德國馬普陸地微生物研究所RalfConrad教授，美國土壤學會會刊主編David Myrold教授，中國科學院南京土壤研究所賈仲君研究員共同組織了一期專刊，圍繞全球變化、土壤地力提升、植物-微生物互作機制，土壤生物的四維視角、土壤生物多樣性產生與維持機制等主題，介紹了相關前沿研究進展。
土壤微生物與溫室氣體減排
甲烷是一種重要的溫室氣體，而溼地對全球甲烷排放量的貢獻高達20％。土地利用方式變化極大改變甲烷排放量。田間觀測和室內模擬均發現，旱地改為水田後，土壤中產甲烷微生物數量增幅最少100倍，最高可達上萬倍。這些微生物的快速增加，主要與環境變化相關，如旱地土壤淹水後，有機物發酵過程增強，乙酸鹽和H2等物質含量顯著增加，刺激了不同類群的產甲烷菌生長。未來通過優化農業管理方式，將可能發展更合理的溫室氣體甲烷減排策略。
旱地土壤則是溫室氣體氧化亞氮（N2O）的重要源，而N2O的增溫潛能約為CO2的300倍。氮循環關鍵功能基因，如nirS和amoA，在微生物源N2O排放過程中起著至關重要的作用。針對我國東北典型黑土區，研究發現土壤pH，硝酸鹽含量是土壤N2O排放功能基因的關鍵環境驅動力。
土壤微生物與地力提升
針對智利Llaima火山噴發土壤，通過調查350餘年時間尺度下的土壤地力形成過程，發現不同世紀（1640年、1751年和1957年）形成的土壤微生物多樣性隨著土壤年齡的增長而增加。在所有土壤中奇古菌門基本穩定；而最年輕的土壤中廣域古菌稀少，但卻蘊藏了大量綠彎菌門細菌，表明這些土壤生物類群可能深度參與了地上植物凋落物和殘渣的降解，在地力形成過程中發揮了重要作用。
土壤-植物-微生物互作
化肥和農藥過量施用對土壤可持續性和全球糧食安全提出了巨大挑戰，土壤微生物多樣性則可能提供重要的解決方案。植物根際促生菌（PGPR）不僅可以部分替代氮肥，也可用於植物病害的生物防治，如熱帶根瘤菌CIAT 899可以協同控制四種不同類型的立枯絲核病原真菌種。同時，土壤微生物可產生激素物質，作為信號分子促進植物生長，通過空間和資源競爭更好抑制病原菌。
四維視角下的土壤生物多樣性
傳統土壤生物多樣性研究更多聚焦於土體的三維立體結構，然而，生物多樣性是生命有機體的集合，時間尺度不僅是多樣性的第4維度，也代表了土壤組學研究的最大挑戰。事實上，目前人類對自然發生的微生物生活史及其多樣性的實時適應策略幾乎一無所知。同時，土壤採樣、存儲、核酸DNA獲取、測序以及下遊生物信息分析均可能帶來一定的偏差。土壤被認為是有生命的實體，而生命最大的特徵是生活史及其適應策略，增加土壤生物多樣性的時間維度，深刻理解四維尺度下的土壤生物多樣性演化機制具有重要意義。
土壤微生物多樣性的產生與維持機制
每克土壤中含有上億個微生物，但這些海量的微生物多樣性似乎與土壤功能多樣性並非完全一致。據此，研究人員探索了宏觀生態學中系統發育保守性理論在土壤生物多樣性產生與維持中的應用，通過構建六種模式，定量描繪了不斷變化的土壤基質中，具有無限數量非生物和生物因子的相互作用機制及其驅動力來源。利用44年的長期草地定位試驗，結果發現施肥導致在田間硝化微生物群落和功能發生顯著變化，為土壤生物多樣性維繫提供了重要參考。
結語
每克土壤最多含有800萬種不同的生物類群，蘊藏的遺傳信息是人類基因組的1000倍之多。這些海量的微生物是工農業生產、醫藥衛生和環境保護等領域的重要資源，已經成為新一輪科技革命的重要戰略高地。可以預見，隨著先進技術的快速發展，人類有望全面解析30億年以來土壤生物多樣性的生活史與進化史，深度發掘重要生物資源，調控生物功能，更好地服務於人類生產和生活。
Pedosphere期刊特刊的其他12篇文章簡介
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
【微生物多樣性預測土壤功能的問題與展望】
土壤中微生物驅動了各種生物化學反應過程，在不同時空尺度下影響土壤功能。該綜述針對以下4個問題，分析了微生物多樣性預測土壤功能的現狀與問題：i）基於DNA研究微生物多樣性的利弊，ii）偶聯微生物多樣性與土壤功能的可能性，iii）網絡分析方法預測微生物相互作用的利弊，以及iv）整合利用多組學技術，更好地預測土壤功能的前沿與展望。
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餘和系統發育生態位保守性耦合分析的新視角】
土壤微生物群落的功能冗餘似乎與多物種群落中各個物種具有獨特的代謝生態位的觀點相矛盾，所有土壤微生物群落均具有「基本」的代謝功能（例如，呼吸作用以及氮和磷循環）。也有一些數量佔弱勢的土壤微生物參與「稀有」功能（例如，難降解有機汙染物的礦化以及產甲烷過程）。該文利用系統發育生態位保守性理論解釋土壤微生物的功能冗餘。通過建立概念模型，具體分析了六種不同模式情境下，土壤微生物群落功能冗餘與系統發育生態位保守性的耦合分析理論假設及其適用性。
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
【不同微生物代謝模式（氫營養型、乙酸鹽型和甲基營養型）對陸地和水生厭氧環境中產甲烷過程的相對貢獻分析及展望】
微生物甲烷生成是溫室氣體甲烷（CH4）的主要來源，是耗盡無機電子受體（如硝酸鹽，鐵離子或硫酸鹽）後有機物厭氧降解的最後一步，深刻理解不同底物介導的產甲烷代謝模式及其對產甲烷的相對貢獻，對於建立生物地球化學過程模型、預測未來的全球甲烷排放情景以及制定減排策略非常重要。
5 GOSWAMI M and DEKA S. 2020. Plantgrowth-promoting rhizobacteria—alleviators of abiotic stresses insoil: A review. Pedosphere. 30: 40-61
【土壤脅迫的減壓器：植物促生根際菌綜述】
隨著人口的不斷增加，化學肥料的廣泛施用產生了大量的土壤非生物脅迫，成為作物高產高效和全球糧食安全的主要制約因素。該文綜述了植物根際促生菌在防控土壤脅迫方面的重要作用，展望了土壤生物多樣性的發展趨勢，為發展生態可持續和經濟最優化的未來農業管理模式提供了理論參考。
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
【旱地改水田促進產甲烷古菌群落的形成】
產甲烷古菌的群落結構相對穩定，即使在水稻土中，無論植稻淹水或排水烤田期間，產甲烷菌都保持較高豐度，且組成變化較小。但旱改水的土地利用方式影響報導較少，該文研究發現，無論室內盆栽或野外田間試驗，旱地農田改為淹水植稻管理方式後，產甲烷古菌數量顯著增加，類群多樣性發生了明顯變化。
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
【長期不同施肥管理對東北黑土地區反硝化菌nirS基因多樣性的影響研究】
反硝化是造成耕地土壤氮損失的重要過程之一，該文研究了含有nirS基因的反硝化菌群落對長期不同施肥方式的響應，發現地理位置而非長期施肥是決定nirS型反硝化菌群落結構的主要因素，相同或相似的長期施肥制度並未在我國東北典型黑土區引起nirS型反硝化劑群落趨同化規律。
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態位分化的證據】
長期施氮及可能影響農田土壤硝化群落，但生態位理論的相關證據仍然知之甚少。該文針對英國典型草地土壤44年不同施肥模式，發現有機肥和無機肥施用塑造了不同的硝化微生物類群和活性，揭示了這些微生物適應環境變化的生態位分異規律。
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
【根際內生菌與根瘤菌混合接種的促生作用及其對大豆立枯病的防控效果】
該文研究了14株根際內生菌與大豆根瘤菌共接種的農業生產效果，篩選獲得了兩種內生菌的混合接種模式，為巴西大豆立枯病防控和促生高產提供了重要的微生物菌種資源。
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
【太平洋西北地區森林採伐對土壤真菌和原核微生物群落結構的影響研究】
傳統的清場式森林砍伐（皆伐）是太平洋西北地區森林管理的重要方式，該文發現森林砍伐後原核生物alpha生物多樣性顯著增加，但真核生物則表現出較大的空間變異性，但砍伐顯著降低內生真菌豐度，增加了腐生真菌的豐度。這些結果有利於深入了解土壤生物多樣性在森林生態系統演替過程中發揮的重要作用。
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
【火山噴發後不同年齡土壤微生物群落演替規律研究】
火山噴發是土壤形成的重要方式之一，也是研究土壤形成過程的模式研究體系，特別是先鋒細菌和/或古細菌在成土過程中的作用。該文針對智利火山噴發後形成的土壤演替系列，發現微生物多樣性隨土壤年齡增加而增加，奇古菌在所有土壤中的豐度基本一致，而廣域古菌與綠彎菌門微生物類群則隨著土壤演替豐度增加，可能在有機質轉化與累積中發揮了重要作用。
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
【解析森林沼澤微生物活性和土壤呼吸的驅動力】
北半球泥炭地僅佔全球陸地面積的3%，但卻儲存了近三分之一的陸地碳（C）。該文通過穩定性13C-碳水化合物示蹤，發現土壤水分是限制微生物活性及呼吸強度的關鍵環境因子。研究結果為進一步區分全球尺度下不同環境因子對土壤碳循環的影響提供了理論參考和技術支撐。
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
【土壤屬性與生境特質決定了細菌群落對農田汙水灌溉的響應模式】.
氣候變化將會導致未來農業生態系統對灌溉的需求增加。該文研究了二級處理汙水灌溉對農田土壤微生物多樣性的影響，結果發現變形菌、擬桿菌、放線菌和浮黴菌門的微生物類群對汙灌最為敏感，而土壤物理結構能夠更好保護微生物多樣性，特別是土壤粘粒含量和有機質在其中發揮了重要作用。