全土壤剖面增温不会改变表层和深层土壤微生物碳利用效率

作者：海北站   更新时间：2023-08-01

  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。

  为了解决上述问题，北京大学地下生态学研究组朱彪团队托青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站，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。

  研究发现，（1）无论是对照还是增温处理，微生物CUE均沿土壤剖面降低。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。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。（2）增温对微生物CUE无显著的影响。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。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。

  上述结果表明：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。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，表明短期增温对不同深度土壤微生物CUE的影响有限。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。

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。

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