研究背景

近百年来全球正经历气候变暖过程已是不争的科学事实。陆地生态系统近一半的土壤有机碳(SOC)储存在30 cm以下土层。但是，通常存在两个误解：1)深层SOC是惰性的，2)在经历气候变暖时，深层土壤滞后于表层土壤。地球系统模型预测，在21世纪，表层和深层土壤将以几乎相同的速度变暖。微生物碳利用效率(CUE)描述了代谢碳在微生物生物量和呼吸之间的分配。评估和量化全土壤剖面增温对CUE的影响对于预测增温下SOC储存和陆地碳循环-气候反馈的潜在反应至关重要。

青藏高原60%的土地被草地覆盖，高海拔及由此产生的寒冷环境限制了微生物的分解，导致青藏高原高寒草地土壤中存储有大量的SOC。此外，青藏高原气温上升的速度高于北半球的平均水平。因此，探索气候变暖对青藏高原高寒草地土壤不同深度微生物CUE的影响及其驱动因素，对于确定气候变暖下高寒草地SOC的命运至关重要。本研究基于全土壤剖面(0–100 cm)增温实验和18O-H2O方法，探究全土壤剖面增温对青藏高原高寒草地土壤微生物CUE的影响。考虑到深层土壤碳有效性较低，微生物有可能将更多的碳用于维持呼吸而不是生长，因此假设1)深层土壤微生物CUE较低。前期研究发现，增温对植物生物量无显著影响，但增温可能会增加土壤酶活性，降低碳的有效性，并影响微生物群落特性，因此假设2)全土壤剖面增温降低微生物CUE。

材料与方法

全剖面土壤增温实验平台位于青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站。本平台设置了对照(CT)与增温(+4 ℃, W)两个实验处理，每个处理设4个重复，共计8个样方。增温处理采用加热棒对全剖面土壤进行均匀增温。在实验处理约3.3年时(2018年6月-2021年8月)，对不同处理0–10 cm、10–30 cm、30–60 cm和60–100 cm土壤进行取样。采用18O-H2O方法测定微生物CUE。测定土壤可提取有机碳(EOC)、微生物生物量、酶活性、木质素酚类、微生物群落结构和多样性等。利用EOC、基于酶活性计算的木质素纤维素指数和通过木质素酚类计算的丁香基/香草基(Sm/Vm）、肉桂基/香草基(Cm/Vm)、香草基和丁香基的酸醛比[分别为(Ac/Al)V和(Ac/Al)S)]表征土壤碳有效性。

结果&讨论

1) 微生物CUE沿土壤剖面降低

无论是对照还是增温处理，微生物CUE均沿土壤剖面降低(图1)。基于偏相关分析、结构方程模型和多元回归模型发现，土壤碳有效性在很大程度上影响了微生物CUE沿土壤剖面变化的模式(图4)。这可能与以下两种机制相关。首先，受微生物处理、基质迁移以及微生物碳与土壤矿物结合等过程的影响，微生物基质通常沿土壤剖面降低。在本研究中，微生物碳吸收沿土壤剖面降低且同步于EOC，说明深层土壤微生物面对较低的碳有效性的反应是降低碳吸收，这可能导致深层土壤CUE的降低。其次，木质素纤维素指数、(Ac/Al)V、(Ac/Al)S、Sm/Vm和Cm/Vm沿土壤剖面增加(图2)，表明木质素降解程度随着土壤深度增加而增加。微生物CUE与木质素纤维素指数、(Ac/Al)V、(Ac/Al)S、Sm/Vm和Cm/Vm之间存在显著的负相关关系(图3)，表明微生物生长和分解之间存在权衡。此外，氧化酶活性和单位微生物生物量呼吸速率沿土壤剖面增加，而单位微生物生物量生长速率沿土壤剖面保持稳定，表明随着土壤深度增加，相对更多的碳被微生物用于维持呼吸和难降解底物的降解。因此，微生物在生长和呼吸之间的能量分配是导致深层土壤CUE较低的另一个原因。

图1 全土壤剖面增温对(a)微生物碳利用效率、(b)微生物碳吸收速率、(c)微生物生长速率、(d)微生物呼吸速率、(e)微生物生物量碳、(f)单位微生物生物量吸收速率、(g)单位微生物生物量生长速率和(h)单位微生物生物量呼吸速率的影响。

图2 全土壤剖面增温对(a)木质素纤维素指数、(b)香草基的酸醛比、(c)丁香基的酸醛比、(d)丁香基/香草基比、(e)肉桂基/香草基比、(f)真菌/细菌比、(g)革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比、(h)细菌香农指数和(i)真菌香农指数的影响。

图3 微生物碳利用效率与(a)木质素纤维素指数、(b)香草基的酸醛比、(c)丁香基的酸醛比、(d)丁香基/香草基比、(e)肉桂基/香草基比、(f)真菌/细菌比、(g)革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比、(h)细菌香农指数和(i)真菌香农指数的线性相关关系。

图4 (a)在控制土壤碳有效性后，微生物碳利用效率与土壤氮有效性和微生物群落特性之间的偏相关分析。(b)调控微生物碳利用效率变化的结构方程。(c)基于多模型选择预测调控微生物碳利用效率变化的主要因子。

2) 增温对微生物CUE无显著的影响

我们观察到，增温对不同深度土壤微生物CUE无显著影响(图1)，这可以归因于以下原因。a)先前无植物参与的室内增温实验表明，室内增温会降低CUE。这与本研究结果不同，可能与植物持续碳供应相关。结合土壤EOC、(Ac/Al)V、(Ac/Al)S、Sm/Vm和Cm/Vm对增温的中性响应(图2)，我们推断短期增温对土壤碳有效性无显著影响，这可能转化为微生物CUE的不显著变化。但是，据报道，随着增温时间的推移，基质将逐渐消耗，此时增温可能会导致微生物CUE减少，这将不利于SOC的储存。总的来说，这些结果强调了关注长期变暖对CUE影响的重要性。b)短期增温对微生物群落组成和α-多样性无显著影响，这可能与土壤碳有效性的不显著变化相关，但另一方面也可能是导致微生物CUE对增温无明显变化的原因。c)增温对单位微生物生物量生长或呼吸没有显著影响，表明尽管增温4°C，但生物体可能没有暴露在接近或超过其生理极限的温度下。因此，微生物CUE对增温无显著的响应。d)增温导致土壤有效氮浓度降低，这可能是由于杂类草氮吸收增加和/或豆科植物氮固定减少。由于氮获取需要代谢成本，微生物可能会将较少的碳分配给生长，或者通过溢流呼吸增加碳损失，从而降低其CUE。然而，我们没有发现增温影响CUE。此外，增温对氮获取酶均无显著影响，表明增温下，微生物可能不受氮限制。或者，土壤氮有效性的变化尚未达到微生物代谢变化的阈值。总体而言，我们认为土壤氮有效性在调节微生物CUE对变暖的反应中起着很小的作用(图4)。

小结

综上，微生物CUE沿土壤剖面下降，这主要与土壤碳有效性的降低相关(图5)。在碳有效性较低的环境下，微生物通过减少碳吸收和改变碳分配来调节CUE的变化。此外，通过在高寒草地进行全土壤剖面增温实验，我们的研究提供了强有力的证据，表明短期增温对不同深度土壤微生物CUE的影响有限(图4)。这可能与土壤有效碳和微生物群落组成的维持以及微生物代谢对增温的热适应有关。总之，短期增温不会显著改变表层或深层土壤微生物CUE，且土壤碳有效性在调控整个土壤剖面微生物CUE的变化中具有关键作用。进一步探究长期增温对土壤碳有效性、微生物群落组成和CUE的影响，特别是在整个土壤剖面上，有助于预测气候变暖下SOC的动态变化。

图5 青藏高原高寒草地全土壤剖面增温对微生物碳利用效率影响的概念图。

该研究于2023年7月31日以“Whole-soil-profile warming does not change microbial carbon use efficiency in surface and deep soils”为题在线发表于PNAS期刊上。北京大学地下生态学研究组张秋芳博士后为论文第一作者，北京大学朱彪研究员为论文通讯作者，其它合作作者还包括北京大学博士生秦文宽、博士后冯继广和李晓杰、中国科学院西北高原生物研究所张振华研究员、兰州大学/北京大学贺金生教授和美国加州大学圣芭芭拉分校Joshua P. Schimel教授。本研究得到国家自然科学基金(42141006、32101330和31988102)和中国博士后科学基金项目(2021M690217)的资助。

作者简介

张秋芳，2020-2022年北京大学城市与环境学院生态学系博雅博士后，出站后现于福建师范大学地理科学学院工作(副研究员)。主要从事全球变化生态学、生态系统碳循环和养分循环等方面的研究。目前以第一作者在PNAS、New Phytologist、Soil Biology and Biochemistry、Geoderma等期刊发表了一系列成果。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪