微生物耐热特性的变化有助于减轻土壤中因高温引起的碳损失

《Global Change Biology》：Shifts in Microbial Thermal Traits Mitigate Heat-Induced Carbon Losses in Soils

土壤微生物热适应特征对慢性升温下土壤有机碳储存的影响：研究通过9年持续升温实验发现，微生物通过调整热响应特性（如Tmin和Q10）优化碳利用效率（CUE），将SOC损失从直接升温效应预测的31%降低至实际观测的15%。这种微生物热适应机制可解释长期土壤碳动态稳定性，为全球变暖背景下的碳循环模型提供了关键参数。

　　全球变暖对土壤有机碳（SOC）储量的影响一直是科学研究的重点之一。土壤是地球上最大的碳储存库之一，其储存的碳量远超大气中的碳储量，这使得土壤在碳循环和气候变化过程中扮演着至关重要的角色。微生物群落作为土壤有机质分解的主要执行者，在调节土壤与大气之间的碳交换中发挥着关键作用。然而，尽管温度对微生物功能的直接影响已经被广泛研究，并且通常导致土壤碳的流失，但长期响应的机制仍存在许多未知。本研究通过一项持续9年的土壤升温实验，探讨了微生物特性如何在长期升温中发生适应性变化，并如何影响碳通量和SOC储量的变化趋势。

在实验中，研究团队在马萨诸塞州的哈佛森林长期生态研究（LTER）站点进行了一项土壤升温与氮添加的综合实验。该实验涵盖了24个3×3米的样地，随机分配到四种不同的处理组：对照组、升温组、氮添加组以及升温与氮添加的组合组。实验中，升温组的土壤被持续加热至比环境温度高约5°C，以模拟未来几十年可能面临的气候变暖情景。研究人员在实验的第9年采集了土壤样本，并通过实验室的短期培养实验分析了微生物的呼吸速率和生长速率对温度的响应。

实验结果表明，初始的升温会导致微生物呼吸和生长速率的显著上升，预计在9年内可能造成SOC储量的31%损失。然而，随着微生物特性的逐渐优化，这种直接影响被部分抵消。微生物在适应长期升温后，表现出更高的碳利用效率（CUE），并能够减少二氧化碳的排放。这种适应性变化使得升温导致的SOC损失最终稳定在15%左右，与实际观测结果高度吻合。这些发现表明，微生物特性的优化可能在一定程度上缓解碳排放，从而提供了一种生物反馈机制的解释，即土壤与大气之间的碳交换如何受到微生物适应性变化的影响。

研究团队进一步分析了微生物特性变化对碳通量和SOC储量的长期影响。他们利用实验室获得的微生物温度响应关系，结合现场的土壤温度和水分数据，建立了模型以模拟土壤中的异养呼吸和微生物生长过程。模型结果表明，如果仅考虑温度的直接效应，SOC储量将减少31%。然而，当考虑到微生物特性随时间的适应性变化时，这种影响被显著削弱，最终导致SOC储量的减少仅为15%。这一现象与之前的长期实验结果一致，即土壤碳损失在初始阶段迅速增加，但随着时间推移逐渐趋于稳定。

微生物的适应性变化不仅影响其对温度的响应，还改变了其在土壤生态系统中的功能。研究发现，升温后，细菌和真菌的最适温度（Tmin）和温度敏感性（Q10）发生了显著变化，而土壤呼吸的温度响应则保持相对稳定。这种差异可能源于微生物群落结构的调整，以及不同微生物种类对温度变化的适应能力不同。例如，真菌的最适温度高于细菌，这可能导致真菌在升温条件下表现出更强的生长能力，而细菌则在较高温度下受到抑制。这种微生物群落组成的调整可能促进了碳利用效率的提高，从而减少了碳的流失。

此外，研究还发现，升温对土壤呼吸的影响在短期内最为显著，但随着微生物特性的适应，这种影响逐渐减弱。模型分析表明，微生物呼吸的减少与生长的增加相互抵消，最终导致碳通量的变化趋于稳定。这表明，微生物的适应性变化在长期中可能起到关键作用，能够有效缓解升温对SOC储量的负面影响。

研究团队还探讨了土壤水分对碳通量的影响。尽管升温可能加剧水分限制，但现场数据表明，升温后的土壤水分含量变化并不显著，这使得水分对碳通量的影响相对较小。因此，模型主要关注了温度对微生物特性的直接影响，以及微生物特性变化对碳通量的间接影响。通过比较不同情景下的模拟结果，研究人员发现，微生物特性的适应性变化是解释SOC储量减少的重要因素。

这项研究的发现对于理解全球变暖对土壤碳储存的影响具有重要意义。它表明，微生物的适应性变化能够有效缓解升温导致的碳损失，从而提供了一种机制性的解释。研究还强调了在碳循环模型中纳入微生物动态变化的必要性，因为传统的模型往往假设微生物特性是静态的，忽略了其对环境变化的适应性响应。这种忽略可能导致对全球变暖背景下土壤碳储量变化的预测出现偏差。

此外，研究还指出，微生物特性的适应性变化可能受到多种因素的影响，包括生理适应、进化变化以及群落层面的调整。这些变化可能在短期内难以察觉，但随着时间的推移，其累积效应可能显著影响土壤碳的动态平衡。例如，长期升温可能导致微生物群落结构的改变，进而影响其对碳的利用效率和分解速率。这种变化可能在某些情况下导致碳的储存能力增强，而在其他情况下则可能导致碳的释放增加。

研究团队的模型分析还揭示了微生物特性变化对SOC储量的长期影响。通过模拟不同处理组的SOC变化趋势，他们发现，微生物特性的适应性变化能够显著降低升温对SOC储量的负面影响。这一结果表明，微生物的适应性变化可能是缓解全球变暖导致的碳排放增加的重要机制。然而，研究也指出，这种适应性变化是否能够持续，以及其是否会在更长时间尺度上产生新的影响，仍需进一步探讨。

总的来说，这项研究通过结合实验室实验和现场观测数据，揭示了微生物特性变化在全球变暖背景下对土壤碳循环的调节作用。研究结果表明，微生物的适应性变化能够有效缓解升温导致的碳损失，从而提供了一种机制性的解释。这些发现不仅有助于理解土壤与大气之间的碳交换过程，也为改进碳循环模型提供了新的思路。未来的研究需要进一步探讨微生物特性的适应性变化是否能够在更广泛的生态系统中发挥作用，并验证其对长期气候变暖的响应是否具有普遍性。