长期干旱对短草草原土壤孔隙分布及微生物功能的差异化影响机制研究

针对气候变化下干旱对草原土壤碳循环的威胁，研究人员通过5年田间试验结合X射线显微断层扫描(X-ray μCT)和生化分析，揭示长期干旱使>120μm孔隙体积增加、颗粒有机质(POM)减少，导致微生物代谢转向维持生存(qCO2↑)而牺牲生长(qMic↓)，为干旱区土壤碳储存机制提供新见解。

　　

随着全球气候变化加剧，降雨模式的改变使得干旱事件频发，这对干旱生态系统如北美短草草原(SGS)的土壤碳储存功能构成严峻挑战。土壤孔隙作为微生物栖息地和物质传输通道，其结构变化直接影响碳循环过程，但长期干旱如何通过改变孔隙分布进而影响微生物功能与碳循环的机制尚不明确。

美国密歇根州立大学(Michigan State University, MSU)的研究团队在科罗拉多短草草原开展了为期5年的原位干旱实验，通过66%降水排除模拟长期干旱，结合X射线显微断层扫描(X-ray μCT)和生化分析技术，首次系统揭示了孔隙结构-微生物功能-碳循环的耦合响应机制。相关成果发表在《Journal of Environmental Management》上。

研究采用多尺度技术联用策略：在田间设置重复样区进行降水控制；利用X-ray μCT三维重建土壤孔隙网络并量化颗粒有机质(POM)空间分布；测定微生物生物量碳(MBC)、真菌标志物ergosterol含量及β-葡萄糖苷酶等水解酶活性；通过代谢熵(qCO₂)和微生物熵(qMic)评估微生物能量分配策略。

孔隙结构的差异化响应

干旱使>120μm大孔隙体积显著增加36%，而36-60μm中孔隙呈降低趋势，<18μm小孔隙保持稳定。μCT显示POM碎片间距增大且体积缩小，反映干旱削弱了有机质保护。

微生物功能的重构

尽管微生物指标未达统计显著（受限于样本量），但呈现明确趋势：水解酶活性降低40-62%（以酸性磷酸酶最显著）；qCO₂升高而qMic降低，表明微生物将更多能量用于维持生存而非生长。

碳循环的级联效应

干旱通过三重机制加剧碳损失：①大孔隙增加加速通气性，促进有机质分解；②POM减少限制碳输入；③孔隙网络断裂导致微生物栖息地碎片化。值得注意的是，阳离子交换量(CEC)升高暗示矿物保护可能部分抵消碳损失。

该研究创新性地建立了"物理结构-生物过程-碳通量"的关联框架，证实长期干旱会重塑土壤孔隙格局，进而通过改变微生物栖息环境与资源可用性深度干扰碳循环。这对预测干旱区土壤碳库稳定性、优化生态管理策略具有重要指导价值。特别是发现大孔隙增加可能形成"干旱记忆效应"，即使降水恢复仍持续影响碳过程，这为理解气候变化的遗留效应提供了新视角。研究强调未来需结合分子生物学技术，进一步解析孔隙尺度下微生物群落适应机制。