黄土高原土壤微生物呼吸速率与活性细菌群落对历史水分条件的响应机制及其碳循环意义

针对土壤碳循环模型中历史水分条件影响机制不明确的问题，中国科学院团队通过干湿交替实验，揭示了土壤水分变化对微生物呼吸、活性细菌群落及可提取有机碳（EOC）的动态调控规律，发现80% WHC（持水能力）最适微生物活动，且复水过程显著富集芳香族化合物。该研究为干旱区碳循环预测提供了定量依据，发表于《Geoderma》。

　　

土壤作为全球最大的活性碳库，其碳动态对气候变化响应敏感，但传统研究多关注当前水分状态，忽视了历史水分条件对微生物活动和碳释放的遗留效应。黄土高原作为典型半干旱区，频繁的干湿交替事件使土壤碳循环预测存在巨大不确定性。中国科学院团队通过创新性实验设计，首次系统揭示了历史水分条件通过调控细菌群落结构和底物有效性影响碳损失的机制。

研究采用16S rRNA测序、核磁共振（NMR）和气体色谱联用技术，对采自黄土高原刺槐林下的钙质雏形土进行三类处理：干燥（从高湿度降至目标值）、复水（从干旱状态增至目标值）和恒湿对照。通过监测CO₂释放、EOC含量及功能基团变化，结合细菌群落分析，建立了水分-微生物-碳循环的定量关系。

微生物呼吸响应规律
恒湿条件下，80% WHC时呼吸速率最高（1.30 μg CO₂-C g^-1 h^-1），而极端干燥（5% WHC）抑制活性。复水引发显著呼吸脉冲，如W5_80处理峰值达2.88 μg CO₂-C g^-1 h^-1，比干燥处理高117%，证实"Birch效应"（干旱后复水引发的CO₂爆发式释放）的强度取决于初始干旱程度。

细菌群落动态
干燥促进放线菌门（Actinobacteriota，45.02%）和变形菌门（Proteobacteria）增殖，而复水富集粘球菌门（Myxococcota）和酸杆菌门（Acidobacteriota）。16S rRNA分析显示，80% WHC下Chao1丰富度最高，但干湿交替均降低α多样性，反映水分剧变对微生物的筛选压力。

碳组分转化机制
NMR揭示复水使芳香族化合物相对含量提升15.2%（W5_30），而干燥促进脂肪族化合物积累。PCA分析表明，复水通过破坏土壤团聚体释放保护性碳，而干燥通过细胞裂解增加α-氨基酸质子信号。值得注意的是，80% WHC时水分再分布效率最高，解释了该湿度下最大碳损失现象。

该研究突破了传统土壤碳模型仅考虑瞬时水分的局限，提出历史水分通过三重路径影响碳循环：改变细菌群落竞争优势、调节孔隙水文连通性、驱动保护性碳的物理-生物协同释放。对于预测全球变暖背景下干旱区碳收支具有里程碑意义，为"退耕还林"工程的碳汇评估提供了理论支撑。