短期全土壤增温对微生物残体和植物木质素的深度依赖性影响

本研究通过亚热带森林全土壤增温实验（+4°C，深度80 cm），揭示了短期（13个月）增温对土壤有机碳（SOC）中植物源（木质素酚）和微生物源（氨基糖）组分在不同深度的差异化影响。研究发现，增温导致表层土壤（0–20 cm）木质素含量降低31.8%，细菌残体碳增加81.3%；而在深层土壤（20–80 cm），真菌残体碳显著增加（15.7%–91.5%），木质素含量不变但降解程度加剧。增温效应在表层主要由微生物生物量碳（MBC）驱动，在深层则与铵态氮（NH4+）和溶解性有机碳（DOC）等底物有效性正相关。研究表明，即使SOC总量稳定，其内部组成在气候变暖下可能已发生重要变化，对预测土壤碳动态具有关键意义。

　　

深度依赖性效应：短期全土壤增温对微生物残体和植物木质素的影响

引言

作为碳的主要储存形式之一，土壤有机碳（SOC）在复杂的生物地球化学循环中扮演着关键角色，全球表层1米土壤中储存了约1500 Pg的碳。在气候变暖的背景下，SOC固存的变化与SOC分解及其对气候变化的反馈密切相关。然而，植物源和微生物源碳对增温的响应及其深度依赖性仍不清楚。传统的SOC形成范式认为稳定的SOC主要来源于分解的植物碎屑，但微生物残体逐渐被认为是SOC库的重要贡献者，可能在农田和草原的稳定SOC库中占比超过一半。微生物残体由于受到土壤矿物和团聚体的物理保护及其结构复杂性，能够在土壤中持久存在。相比之下，尽管植物残体被认为稳定性较差，但在非最适微生物处理条件下也能积累和持久存在。利用生物标志物技术，氨基糖和木质素酚可分别用于指示微生物残体和植物木质素，并被发现与SOC对微生物利用的脆弱性密切相关。

与酶活性的阿伦尼乌斯动力学一致，实验性增温研究表明确实刺激了微生物的处理过程，这涉及微生物对植物残体的降解及随后的残体产生，尽管它也受到水分和养分有效性等环境因素的调节。在短期内，由于促进生产力的延迟响应，植物碳输入可能保持不变，从而导致SOC组成发生变化。然而，迄今为止，植物源和微生物源SOC组分对短期增温是否表现出差异性响应及其调节机制仍不清楚。

与广泛研究的表层土壤碳相比，探索深层土壤碳对增温的响应仍然极具挑战性，这源于SOC分布的垂直异质性。事实上，通常观察到植物源和微生物源SOC组分具有很强的深度依赖性。显著的是，在土壤剖面中检测到了增温对SOC固存的不一致影响。一般而言，表层土壤碳相对年轻，在土壤中存留数十年至几个世纪。相比之下，深层土壤碳可以存留数千年至数万年，这是由于化学惰性SOC、强烈的矿物保护以及根部在深层缺乏活性底物供应。因此，表层土壤碳被认为在气候变暖下易受微生物分解的影响，因为其氧气和易利用底物丰富。相比之下，深层土壤中受限的氧气和底物有效性阻碍了微生物降解对增温的积极响应。

材料与方法

野外全土壤增温实验在安徽省马宗岭实验林站进行。土壤为发育自花岗岩基岩的棕壤（淋溶土），呈弱酸性（pH：4.79–5.05），质地为砂壤土。该地区属亚热带湿润季风气候，30年（1970–2000年）平均气温为13.2°C，降水量约为1480 mm。

2021年4月，在一个20年生的杉木人工林中建立了三个样地对（对照和增温），每个样地间隔15米。每个增温样地安装了48根垂直加热棒（热敏电阻，定制），长100厘米（地下80厘米；80厘米以下为母质）。通过可编程逻辑控制器将增温样地的整体土壤温度维持在比对照样地高4 ± 0.3°C的水平。选择4°C的增温幅度是基于政府间气候变化专门委员会（IPCC）对本世纪末非常高温室气体排放情景下全球平均土壤温度的模拟。

增温处理13个月后（2022年5月）采集土壤样品。去除地表凋落物后，从所有六个样地采集土壤剖面样品（0–20 cm, 20–40 cm, 40–60 cm, 60–80 cm深度）。使用不锈钢手钻从每个样地随机采集六个土壤芯，以减轻局部变异性的影响。根据土壤剖面的发育特征，将0–20 cm层确定为表土，在深层土壤（20–40 cm, 40–60 cm, 60–80 cm）之间可以观察到土壤颜色和质地的明显变化。因此，将土壤剖面分为四个深度（每个深度20 cm高），并将每个样地同一深度的样品轻柔混合制成复合样品。总共收集了24个土壤样品。

测定土壤有机碳（SOC）、全氮（N）、颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）含量。土壤铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^-）含量用2 M KCl溶液提取后采用比色法测定。速效磷（AP）用1 M NH₄F溶液提取后采用钼蓝比色法测定。土壤pH值在土水比为1:2.5的混合物中用标准电极测定。POC和MAOC采用湿筛法分离。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸提取法测定。溶解性有机碳（DOC）为非熏蒸土壤的可提取有机碳浓度。

为揭示微生物底物需求的限制程度，测定了五种水解酶的活性，包括两种碳获取水解酶（β-葡萄糖苷酶BG和β-木聚糖酶Xyl）、两种氮获取酶（N-乙酰-β-葡萄糖苷酶NAG和亮氨酸氨基肽酶LAP）和一种磷获取酶（酸性磷酸酶ACP）。使用基于7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）和4-甲基伞形酮（MUF）的荧光底物进行测定。根据酶活性计算微生物碳限制和养分限制的向量长度和向量角度。此外，还测定了过氧化物酶（PER）和多酚氧化酶（PPO）的活性，氧化酶活性为两者之和。

木质素酚通过碱性CuO氧化释放木质素单体进行分析。总木质素产量定义为香草基（V）、丁香基（S）和肉桂基（C）木质素衍生物的总和。使用V型和S型酚的酸/醛（Ad/Al）比值作为木质素降解程度的指标。基于不同酚类的释放效率估算木质素对SOC的贡献。

土壤氨基糖，包括胞壁酸（MurN）、葡萄糖胺（GluN）和半乳糖胺（GalN），根据Zhang和Amelung的方法进行提取。细菌残体碳（BNC）和真菌残体碳（FNC）分别基于MurN和GluN的浓度，使用经验转换因子进行计算。总微生物残体碳（MNC）为BNC和FNC之和。

使用广义线性混合模型检验增温、土壤深度及其交互作用对植物源和微生物源碳以及土壤化学和微生物性质的影响。采用分段结构方程模型评估关键生态系统因子与SOC组分之间直接和间接的联系。

结果

土壤深度和增温对微生物残体和植物木质素的影响

微生物残体碳及其真菌组分的含量随土壤深度增加总体呈下降趋势。类似地，木质素酚的总含量也与土壤深度呈负相关。相反，V型和S型酚的酸/醛比值，即（Ad/Al）_V和（Ad/Al）_S，随土壤深度增加而增加。

增温对表层土壤（0–20 cm）的真菌或总微生物残体碳没有可检测到的影响。相比之下，增温使表层土壤的细菌残体碳含量增加了81.3%，同时真菌与细菌残体碳的比值从9.30降至4.84。增温对微生物残体碳对SOC贡献的影响与其绝对值的影响一致。在深层土壤（20–80 cm）中，增温使微生物残体碳总含量增加了5.5%–71.3%，这归因于真菌残体碳浓度增加了15.7%–91.5%。相比之下，细菌残体碳含量对增温没有响应，导致深层土壤中真菌与细菌残体碳的比值从2.78–3.90升高至4.97–7.25。一致地，增温增加了真菌残体碳对SOC的贡献，而对细菌或微生物残体碳对SOC的贡献影响很小。

在表层土壤中，增温使木质素酚浓度降低了31.8%，而深层土壤中的木质素酚含量没有改变。一致地，增温降低了木质素碳对整个土壤剖面SOC的贡献，降至对照的54.0%–67.6%。在表层土壤中，增温不影响（Ad/Al）_V或（Ad/Al）_S的比值，而在几个深层土壤层中比值增加。

土壤深度和增温对土壤化学和微生物性质的影响

涉及SOC、POC、MAOC、NH₄⁺和AP含量的土壤化学性质随土壤深度增加而降低。类似地，土壤MBC含量也随土壤深度增加而降低。基于涉及碳、氮、磷获取的水解酶（BG、Xyl、NAG、LAP、ACP）活性，评估了微生物资源利用限制。检测到微生物碳限制随土壤深度增加而降低，表层土壤的碳限制强于深层土壤。

在增温处理下，与对照相比，未检测到SOC、POC、MAOC、DOC或NH₄⁺含量的差异。相比之下，增温使土壤中MBC含量提高了71.0%–136.4%，AP含量也增加。值得注意的是，增温缓解了表层土壤的微生物碳限制，但加强了深层土壤的碳限制。表层土壤的氧化酶活性在增温下增强，而深层土壤未检测到变化。

植物木质素和微生物残体的调节

构建的结构方程模型表明，除了土壤深度外，土壤NH₄⁺含量和微生物碳限制对微生物残体碳产生正向影响。此外，木质素含量也对微生物残体碳产生正向影响，而木质素降解程度（侧链氧化）则阻碍了微生物残体碳的浓度。对于木质素浓度，发现了土壤NH₄⁺有效性的负向影响，紧随土壤深度的显著负向影响。

在表层土壤中，MBC促进了细菌残体碳的浓度，但阻碍了木质素酚的浓度。表层土壤中的PPO活性也与木质素酚呈负相关。而在深层土壤中，线性回归和偏相关分析结果表明，土壤NH₄⁺和DOC含量均与微生物残体碳和木质素酚呈正相关。微生物残体碳和木质素酚的变化分别能更好地被土壤NH₄⁺和DOC含量解释。此外，在表层土壤中观察到微生物残体碳与碳限制呈负相关，而在深层土壤中检测到正相关。

讨论

植物木质素和微生物残体的深度依赖性

微生物残体碳和木质素酚的含量均被发现随土壤深度增加而下降，这与陆地生态系统中的先前观察结果一致。木质素酚浓度与微生物残体浓度呈正相关，因为植物碳输入为微生物提供了初始代谢底物。显著的是，来自根系死亡和地上植物凋落物埋藏的植物碳输入随土壤深度增加而减少。此外，木质素侧链氧化程度，作为能在某种程度上指示土壤中植物碳库质量的因子，被发现阻碍了整个土壤剖面中微生物残体的浓度。随着土壤深度增加，木质素以及其他植物源SOC组分（如角质、木栓质和纤维素）被逐渐分解和氧化，其质量越来越低。因此，微生物群落越来越难以利用它们，从而阻碍了微生物群落的周转和微生物残体的产生。

同时，我们发现微生物残体碳在整个土壤剖面中与土壤NH₄⁺含量和微生物碳限制呈正相关。受深度增加带来的底物限制影响，SOC矿化和凋落物分解速率降低，同时水解酶活性和微生物生物量合成效率下降。残体浓度随土壤深度增加而显著受阻，这与我们的观察高度一致。相同的趋势在陆地生态系统中广泛观察到。因此，受限的氮有效性和增强的碳限制被认为阻碍了深层土壤中微生物残体的产生和储存，尤其是真菌残体。

紧随土壤深度的负向影响之后，发现土壤NH₄⁺有效性与模型中的木质素呈负相关，这与我们观察到的木质素酚和NH₄⁺含量均随土壤深度增加而下降的现象相反。这是因为模型中的木质素是一个复合变量，除了木质素酚含量外，还包括（Ad/Al）_V和（Ad/Al）_S。事实上，木质素侧链氧化程度随土壤深度增加而增加，与土壤NH₄⁺含量呈相反变化。总体而言，木质素浓度随深度增加而降低，同时降解指数（（Ad/Al）_V和（Ad/Al）_S）增加，表明深层土壤中木质素输入减少和/或生物降解增加。因此，木质素对SOC的贡献不受深度影响，尽管其比例较小（约2%–3%），但对SOC库的贡献稳定。

增温对植物木质素和微生物残体的深度依赖性影响

在整个土壤剖面中，未检测到短期增温对SOC含量的总体变化。然而，观察到SOC组分对增温的显著变化。在表层土壤中，增温促进了细菌残体碳的浓度，同时伴随着木质素酚的减少。这些发现可能由增温下缓解的微生物碳限制驱动，这有利于微生物的生长和周转。通常，碳源可用性增加有利于具有快速生长速率的微生物，这些主要是细菌而非真菌。因此，细菌周转被增温显著促进，加速了植物木质素的降解，从而促进了细菌残体的产生。表层土壤中MBC与细菌残体碳的正相关，以及木质素酚与MBC和多酚氧化酶的负相关部分证明了这一观点。在涉及陆地土壤，特别是表层土壤的前人研究中报道了类似的结果。反过来，作为微生物代谢的底物，植物木质素在变暖环境下被越来越多地消耗以满足微生物需求。这个激活的过程可能涉及体外修饰（微生物胞外酶对有机碳分子的重构）和体内周转（微生物残体对碳分子的再合成）。在表层土壤中观察到的增温对氧化酶、Xyl、NAG、LAP和MBC的正效应，也表明以植物木质素为代价刺激了微生物周转。

在深层土壤中，短期增温增加了真菌残体碳的浓度，而不是细菌残体碳。与表层土壤相反，增温通过增加土壤NH₄⁺和AP的有效性增强了深层土壤的微生物碳限制。具有更高碳利用效率的微生物群体，如真菌，在深层土壤的变暖气候下更受青睐。此外，深层土壤中受限的氧气和底物有效性更有利于真菌的生长和代谢，与细菌周转相比。因此，真菌残体的储存被优先刺激。微生物残体主要由真菌残体的优先保存驱动，因为与细菌残体相比，其稳定性更高。因此在深层土壤中检测到增温下微生物残体碳总含量的显著增加。同时，由于增温增强了深层土壤的微生物碳限制，微生物会降解稳定的土壤碳组分以满足其需求，特别是在低养分和活性碳的土壤中。在深层土壤中揭示了DOC和NH₄⁺对木质素酚浓度的调节作用。然而，以香草基和丁香基酚的酸/醛比值（Ad/Al）表示的木质素降解程度因增温而增加，增加了其对微生物降解的化学惰性。这可能表明增温一方面刺激了植物源输入，另一方面加速了植物木质素的微生物分解，留下了降解程度更高的木质素。

局限性与对未来研究的启示

利用生物标志物技术，发现了短期增温对微生物残体和植物木质素的深度依赖性影响。然而，可能存在一些需要说明的局限性。首先，木质素只占很小一部分，不能完全代表土壤中的植物源碳。除木质素外，土壤中还存在许多植物源有机物，如角质、木栓质、纤维素、大部分单宁、一些色素和三萜类化合物。因此，未来研究需要测量多种形式的植物源组分，以全面解读未来全球变化下植物源和微生物源碳的归宿。其次，虽然微生物残体变化可能迅速发生，但它们对长期碳稳定（如矿物结合有机质MAOM形成）的贡献仍不确定。如果新形成的微生物残体未被土壤矿物结合，它们对微生物而言也是可降解的，并将参与微生物介导的再循环。此外，由于土壤微生物群落对变暖环境的适应及其潜在限制，SOC组分对增温的深度依赖性响应可能随时间推移而发生变化。

结论

本研究强调了短期（13个月）增温对亚热带森林植物源和微生物源SOC组分的深度依赖性影响。增温刺激了微生物代谢过程，在表层土壤（0–20 cm）中以植物木质素为代价增加了细菌残体碳。受底物有效性的调节，增温增加了深层土壤（20–80 cm）中的真菌残体碳。因此，短期增温可能已诱导SOC组成发生实质性变化，尽管SOC总含量没有显著变化，这对土壤功能具有直接意义。这些发现强调了在研究SOC积累和气候变化时考虑土壤深度的重要性。在地球系统模型中体现表层和深层土壤碳组分对增温的不同响应，可能会提高对陆地碳固存及其对气候变化反馈预测的信心。