土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量最大的活躍碳庫(kù)，其儲(chǔ)量的微小改變都可能影響大氣二氧化碳濃度，進(jìn)而改變氣候變暖的進(jìn)程。全球一半以上的土壤有機(jī)碳貯存在深度超過30cm的底層土壤中，而底層土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性尚不明確，其對(duì)氣候變化的響應(yīng)成為當(dāng)前全球變化生態(tài)學(xué)研究的焦點(diǎn)之一。

青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)，高寒草地是青藏高原的主要植被類型之一。已有研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原地區(qū)的持續(xù)升溫和伴隨的干旱顯著降低了高寒草地表層土壤含水量，促進(jìn)了深根植物的生長(zhǎng)，而植物根系分布加深驅(qū)動(dòng)了底層土壤有機(jī)質(zhì)的降解及新碳封存。然而，調(diào)控底層土壤碳動(dòng)態(tài)的微生物過程對(duì)增溫和干旱的響應(yīng)尚不明確。

圖1青藏高原海北站野外模擬增溫和干旱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(賀金生教授提供)

圖2土壤微生物承擔(dān)著分解者的重要工作(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的工種，在調(diào)控土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)中發(fā)揮著三重重要角色。首先，土壤微生物通過分泌胞外酶和自身代謝作用，將土壤有機(jī)碳礦化為溫室氣體(二氧化碳或甲烷)。其次，土壤微生物也可以分泌和氮、磷元素周轉(zhuǎn)相關(guān)的胞外酶來介導(dǎo)土壤養(yǎng)分循環(huán)，調(diào)控植物生長(zhǎng)及微生物活性。再者，微生物還可以將一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為相對(duì)穩(wěn)定的微生物殘?bào)w和副產(chǎn)物，并通過群落迭代促進(jìn)穩(wěn)定土壤有機(jī)碳的形成。因此土壤微生物不僅扮演著“分解者”的角色，還是土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要“貢獻(xiàn)者”。

那么，土壤微生物的雙重角色如何響應(yīng)增溫和干旱呢?

為了回答這個(gè)問題，中國(guó)科學(xué)院植物研究所馮曉娟研究組與合作者利用青藏高原海北站的長(zhǎng)期增溫控水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合添加13C標(biāo)記凋落物的土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過微生物活體和殘?bào)w標(biāo)志物13C與胞外酶活性分析，對(duì)比研究了表、底層土壤微生物作為土壤有機(jī)碳“分解者”和“貢獻(xiàn)者”的響應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，五年的增溫和干旱處理顯著抑制了底層土壤中有機(jī)氮水解酶(亮氨酸氨基肽酶)的活性，降低了無機(jī)氮素(及水分)的可利用性，從而增強(qiáng)了微生物氮限制。通過以上影響，增溫和干旱處理抑制了底層土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳以及植物凋落物的礦化能力(即“分解者”功能)，并且降低了微生物碳利用效率和殘?bào)w積累效率(即“貢獻(xiàn)者”功能)。然而，以上變化在表層土壤中均未發(fā)生。

圖3增溫和干旱對(duì)高寒草地底層土壤微生物過程的影響及其關(guān)鍵途徑

上述結(jié)果表明在增溫和干旱條件下，高寒草地底層(而非表層)土壤微生物變得“又懶又低效”。由于增溫提高了該地區(qū)高寒草地的地下生產(chǎn)力，因此增加的植物根系輸入和怠工狀態(tài)的微生物都有利于底層土壤碳庫(kù)積累。但是，在底層土壤氮限制加劇的背景下，植物生產(chǎn)力和底層土壤碳庫(kù)積累的可持續(xù)性值得進(jìn)一步研究。

該研究成果于近日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GlobalChangeBiology(doi:10.1111/gcb.15541)。中國(guó)科學(xué)院植物研究所博士生朱二雄和已畢業(yè)博士生曹朕嬌為論文共同第一作者，馮曉娟研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。