摘要

1、對建立健康土壤的興趣與新的DNA測序技術相結合，導致了大量土壤微生物群落（SMC）數據的產生。

2、SMC分析正被廣泛用于監測生態恢復軌跡。然而，盡管有大量且不斷增長的土壤微生物數據，但尚不清楚這些數據如何為恢復實踐提供信息和指導。

3、在這里，我們研究了關于SMC作為指導生態系統恢復的工具的假設，并評估了使用SMC的物種清單作為恢復成功的基準的有效性。

4、我們研究了評估土壤健康的其他方法，并得出結論，通過使用非分子方法進行補充，我們可以顯著提高物種清單數據在生態恢復中的效用。

一、簡介

百歐博偉生物：隨著地球被人為干擾所席卷，如何恢復生態系統的問題變得越來越重要。在實踐中，恢復和生態恢復結果往往達不到目標，而不是成功（Crouzeilles et al.，2016），特別是對于嚴重改變的基質上的不同原生植被（Cross&Lambers，2017）。決定康復和恢復結果的因素很復雜，取決于一系列因素，包括生物和非生物、當代和歷史因素（Nsikani，van Wilgen，&Gaertner，2018）。事實上，對于一些生態系統，特別是那些經歷了嚴重土壤擾動、退化或污染的生態系統，可能不可能恢復到擾動前的狀態（Webster等人，2018）。

長期以來，土壤微生物群落（SMC）一直被認為是監測生態恢復范圍（Harris，20032009）的成功指標，包括人工林（Banning et al.，2011）、采后地區、石油和天然氣活動（Zhang et al.，2020）、入侵物種管理（Chen et al.，2019）和土壤穩定（Rodríguez-Caballero et al.，2012）。由于土壤微生物功能是所有成功恢復和恢復的基礎，SMC清單已成為描述恢復事件期間土壤健康的事實指標（例如，Maestre，Solé，&Singh，2017），無論擾動類型如何。在大多數情況下，這些庫存是沿著修復軌跡收集的，以建立修復成功的“基準”（例如，Gellie、Mills、Breed和Lowe，2017；Yan等人，2018）。

但是SMC物種清單在確定土壤健康方面的信息量有多大？鑒于SMC的庫存能力取決于下一代測序技術（見Williams、Nevill和Krauss，2014），我們對SMC組裝和功能的理解仍在發展中（Yang、Wagg、Veresoglou、Hempel和Rillig，2018）。然而，基于量化SMC的研究數量正在不斷增加；僅在過去的6個月里，搜索詞“土壤微生物*群落與恢復”就返回了1231篇論文（Web of Science，2020年8月8日）。大量的數據是否提高了對修復成功率的估計，或者我們的理解是否仍然遠遠落后于技術，使這些方法變得有用？

SMC在生態系統功能中的重要性是毋庸置疑的。但SMC物種清單作為評估恢復成功率的指標的價值尚不清楚。在本文中，我們研究了SMC在生態恢復中的作用問題：（a）SMC受到人為干擾的影響有多大，它們能自然“恢復”嗎？（c） SMC物種清單是衡量土壤健康的一個好指標嗎？（c） 土壤微生物改良劑能加速SMC的“恢復”嗎？以及（d）測量SMC成分和功能的合適技術是什么？我們的目標是向從業者和研究人員概述基于測序的SMC修復評估方法的基本假設和潛在局限性，并提出潛在的補充方法，以提高這種方法的實用性。

二、人類活動是如何干擾SMC的？

乍一看，使用SMC來告知恢復成功是直觀的，因為SMC很容易被人為活動破壞和降解（Allison&Martiny，2008）。然而，很難預測擾動對SMC的影響，因為響應的大小和方向取決于擾動事件的類型和嚴重程度（De Vries et al.，2012）。由于大多數人為活動涉及多種干擾因素，預測干擾對SMC的影響變得更加困難。例如，農業具有改變土壤化學和物理特性以及改變植物群落的擾動特征（Pimentel等人，1995年）。相比之下，采礦既可能涉及土壤退化或污染，也可能涉及清除土壤（Ghose，2004）。顯然，這種不同的干擾源會以不同的方式和程度影響SMC。例如，露天采石場或廢石地貌缺乏足夠的表層土覆蓋，需要與尾礦儲存設施不同的恢復策略。在這種不同干擾的情況下，很可能很難確定是什么因素推動了SMC的變化，以及如何恢復這些社區。

與人為干擾相關的見研究因素之一是土壤化學（Leff et al.，2015）。添加氮（N）和磷（P）會導致SMC發生變化（Suzuki，2009）。例如，土壤氮和磷濃度的增加會降低Glomeromycota的水平，Glomeromycta是一種真菌植物共生體，以其促進植物養分吸收的作用而聞名（Treseder，2004）。這些影響在多大程度上是直接的或由植物介導的尚不清楚，因為植物群落也通過共生體影響SMC的組成（Martinez Garcia，Richardson，Tylianakis，Peltzer，&Dickie，2015），并改變土壤中的碳輸入（Lange et al.，2015）。礦物質氮補充劑可以抑制土壤微生物呼吸，影響分解速率和土壤碳庫（Ramirez，Craine，&Fierer，2012）。與營養添加類似，重金屬毒性對細菌和真菌群落的影響不同，比真菌更能降低細菌活性（Rajapaksha，Tobor Kap?on，&B??th，2004）。金屬毒性抑制某些酶（Belyaeva，Haynes，&Birukova，2005）并降低微生物活性，導致SMC的代謝周期中斷（Shi，Bischoff，Turco，&Konopka，2002）。

除了化學變化外，人為活動還通過底物修飾影響SMC。從農業耕作到露天采礦的土壤清除，這些擾動的強度各不相同。SMC對耕作的反應各不相同，但真菌通常比細菌更容易受到基質修飾的影響（Frey，Elliott，&Paustian，1999）。采礦對SMC的影響可能更為嚴重，因為它代表了基質和植物移除的綜合影響。在許多情況下，場地也可能被重金屬污染，導致近乎無菌的條件（Baker&Banfield，2003）。清除表層土進行采礦對SMC多樣性、微生物生物量和土壤代謝循環有明顯的不利影響。當土壤長期堆放時，這些影響往往會加劇（Golos&Dixon，2014），并且在恢復工作停止100年后仍然可以檢測到（Poncelet、Cavender、Cutright和Senko，2014）。

表土是一種有價值的恢復資源，通常在采礦活動之前收獲，并儲存起來供后期恢復使用（Golos&Dixon，2014）。堆放表層土的質量和功能受到許多因素的影響，包括表層土堆放的大小和深度、儲存時間、土壤物理和化學特性、植被覆蓋和氣候（Abdul-Karem&McRae，1984）。表土堆上的植被覆蓋可以增加SMC的活性和多樣性（Mu?oz-Rojas，Martini，Erickson，Merritt，&Dixon，2015；Pandey等人，2017）。已經記錄了表層土儲存對SMC的生物量、大小、活性和組成的顯著影響，這對營養循環有影響（Harris，Birch，&Short，1993）。

擾動的多因素性質使得很難預測SMC是如何受到影響的，以及它們是否是恢復成功的可靠指標。細菌、真菌和其他微生物表現出的特殊反應加劇了這種復雜性。此外，采樣中的偏差可能會干擾檢測變化的能力（方框1）。這些問題使得設計有用的分子清單變得困難。例如，如果叢枝菌根（AM）真菌因森林砍伐而受損，但腐生真菌則不然，那么針對一般真菌群落的分析可能無法檢測到變化，因為AM真菌在土壤中只占一般真菌的一小部分。相反，過于精細的分析也可能無法檢測到變化。在這種情況下，針對參與氮循環的細菌的檢測將錯過負責碳循環的細菌變化。

三、SMC能自然重組嗎？

盡管SMC受到人為過程的影響，但它們本身很少成為恢復的目標。相反，SMC重新組裝到擾動前狀態的能力是恢復事件中的一個明確假設。如果SMC無法恢復并損害生態系統的恢復，這可能會產生問題。但即使它們真的恢復到參考狀態，這也可能無法反映生態系統的成功恢復。如果不明確了解SMC與生態系統功能之間的關系，使用SMC清單可能無法反映恢復的成功。

為了成功恢復，SMC是否有必要與“參考”SMC區分開來？為了評估SMC的恢復，確定恢復軌跡是很重要的。文獻中關于SMC“恢復”的構成證據有限，重要的是，它構成了恢復預定植物覆蓋的基礎（McDonald，Gann，Jonson，&Dixon，2016）。研究表明，SMC隨著位點演替過程的發生而變化，但它們很少達到預穩定條件（例如Banning等人，2011）。雖然與“參考”SMC相比，回收SMC可以達到類似的物種豐富度或組成水平，但它們似乎很少同時達到這兩個水平（例如McKinley、Peacock和White，2005）?；蛘?，如果恢復表示恢復到與“參考”SMC相同的功能水平，則有證據表明SMC僅部分恢復這些過程（Kumaresan等人，2017）。鑒于SMC對土壤和生態系統過程的復雜性，目前尚不清楚功能基因測定是否是確定植物相關SMC回收的信息代理（Graham et al.，2016）。

如果化驗顯示SMC回收率未能達到“參考”狀態，那么改變后的SMC是否有可能在功能上等同于參考群體？如果擾動后的恢復呈現不同的軌跡，那么SMC可能在組成上有所不同，但對當代生態系統來說仍然是“功能性的”。由于SMC的組成受到植被特性和多樣性的強烈影響（例如Andersen、Grasset、Thormann、Rochefort和Francez，2010），如果植被群落與擾動前不同，SMC恢復到參考狀態可能是不現實的（Wardle和Peltzer，2017）。從功能意義上來說，恢復可能會被無限期地推遲或阻礙。

有人認為，嚴重改變的景觀可以通過一個理論臨界點，在這個臨界點上，擾動前狀態的恢復變得無法實現，甚至不可?。?/span>Perring等人，2015）。在這種情況下，確定恢復目標可能很困難（Radeloff等人，2015）。雖然功能齊全的“替代”國家的想法可能會吸引修復從業者和政府，但他們可能會降低修復標準（例如Murcia等人，2014），同時代表行業的“出獄免費卡”（Simberloff，Murcia，&Aronson，2015）。對于地下恢復，“替代狀態”的爭論涉及目標是在分類學上還是在功能上與參考狀態相似。鑒于SMC的超分類多樣性，恢復生態系統的SMC可能在功能上等效，但在組成上不同（Louca et al.，2018）。這些差異是否可能具有生態意義尚不清楚。

四、SMC多樣性是否表明生態系統健康？

人們認為，SMC的多樣性是自然生態系統和管理生態系統中土壤健康的關鍵指標（Schimel&Schaeffer，2012）。例如，在標記的13C微宇宙實驗中，較高的微生物多樣性顯著改善了土壤碳（C）循環（Maron et al.，2018），以及由土壤細菌和叢枝菌根介導的氮（N）循環（Nelson，Martiny，&Martiny，2016）。雖然SMC多樣性與許多生態系統功能之間存在關系（Sahu等人，2017），但幾乎沒有證據表明植物群落和SMC總是緊密耦合的（Van Nuland，Ware，Bailey，&Schweitzer，2019）。即使SMC從未恢復到參考狀態，也可能不會影響生態系統的恢復。

很難將特定的生態系統過程與特定的微生物群落聯系起來。例如，Bier等人（2015）報告稱，大約四分之一的土壤微生物多樣性研究試圖將微生物群落結構與微生物過程聯系起來。這些聯系中的絕大多數還沒有得到很好的理解，目前仍不清楚（Jansson和Prosser，2013）。因此，很難將生態系統健康的特定特征與微生物群落成員聯系起來，而且酶活性測量仍然不完善，無法描繪微生物群落組成的變化（Baldrian，2019）。

如果土壤生態系統功能是不同SMC功能的疊加效應，那么分類單元的存在應該賦予某些功能，因此SMC多樣性可以作為生態系統恢復的指標。然而，有證據表明SMC多樣性不是影響土壤功能的主要因素。Graham等人（2014）認為，物理和化學環境對氮循環的重要性與SMC的多樣性相同。特定微生物分類單元的存在可能不能保證功能；一個分類單元可能出現在一個目錄中，但由于休眠、死亡或次優環境條件而不起作用（Blagodatskaya&Kuzyakov，2013）?；蛘?，由于SMC中的高水平功能冗余，增加的SMC多樣性可能不會表現為更具功能性（Nannipieri等人，2003）。雖然這種冗余可能有助于緩沖功能抵御干擾（Mendes et al.，2015），但這意味著僅多樣性是SMC恢復的不可靠衡量標準。目前，我們不知道SMC中存在多少功能多樣性，以及這種多樣性在不同系統或條件下有何不同（Jansson和Prosser，2013）。

五、通過土壤改良劑和接種劑可以加速SMC的恢復嗎？

如果SMC對生態系統恢復很重要，那么可能有理由引入土壤微生物來加速積極變化（Neuenkamp，Prober，Price，Zobel，&Standish，Horton，Hudon，Patterson，&Bhatnagar，2020）。微生物在生態系統恢復中的應用可以是簡單的“生長促進劑”聲明，也可以是更直接的應用，例如改善受污染的土壤。孕育劑成功緩解了鹽度脅迫（Ahmad et al.，2018）和重金屬污染（Fashola，Ngole Jeme，&Babalola，2016）。接種耐金屬微生物改善了植物的建立（Ahmad et al.，2018），并被提倡用于重金屬污染場地的修復（Fashola et al.，2016），同時促進植物生長（Mishra，Singh，&Arora，2017）。

微生物接種劑可能無法達到預期效果的原因有很多，包括微生物接種劑在田間缺乏局部適應和應用后的進化（Hart，Antunes，&Abbott，2017）。此外，成功建立接種物可能代表入侵物種的威脅（Hart等人，2019）。如果入侵微生物取代或堵塞了駐留的分類群，生態系統的功能可能會受到損害?；跍y序的技術不僅可用于識別候選接種物和評估SMC對現場接種的反應，還可用于監測常駐SMC反應。

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