温度升高会加剧温室气体的排放，并促使南极苔原土壤中的微生物群落战略发生转变

《Journal of Environmental Sciences》：Warming enhances greenhouse gas emissions and drives microbial r/ K strategy shift in Antarctic tundra soils

　　

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  气候变暖通过使二氧化碳排放量增加3.07倍、二氧化碳当量增加1.70倍，加剧了温室气体的正反馈效应。
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  气候变暖导致的养分消耗：在10°C的温度下，热应力使溶解有机碳（DOC）减少30.50%，溶解氮（DN）减少27.35%。
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  气候变暖破坏了生态系统的α多样性，增强了选择性作用，导致群落从富营养型向贫营养型转变。
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  在热应力下，生物群落结构趋于简化，共存网络也变得不稳定。

引言

作为受人为干扰极小的原始自然生态系统，南极半岛是研究气候变化响应的理想场所。南极苔原对全球气候变化极为敏感，其碳循环和养分循环具有独特性。过去50年里，该地区温度上升了近3°C，成为地球上升温最快的地区之一（Bromwich等人，2013年；Turner等人，2005年）。这种加速的升温可能会通过永冻土融化引起的生物重组威胁苔原生态系统的稳定性，并通过微生物介导的土壤呼吸作用和温室气体排放破坏碳循环的正反馈机制（Bao等人，2018年；Olech，2010年）。然而，南极苔原对此类过程的响应尚未得到量化，这给气候预测模型带来了根本性的不确定性。

土壤呼吸作用（即土壤向大气的二氧化碳通量）是生态系统碳动态的关键指标，已有数十年的研究历史（Bond等人，2024年）。土壤呼吸对温度的敏感性通过Q₁₀系数来量化，对于理解南极应对全球变暖的机制至关重要（Cao和Woodward，1998年；Sandhage等人，2025年）。相比之下，北极苔原的Q₁₀值在1.8到2.8之间波动，表明生态系统呼吸对温度的变化不太敏感，对其未来应对全球变暖的响应也较弱（Fangfang等人，2017年；Torn等人，2025年）。尽管具有重要的生物地球化学意义，但南极苔原生态系统中Q₁₀的实验量化研究尚未展开。

除了碳动态之外，南极半岛的气候变暖还通过生物多样性的丧失威胁苔原生态系统的稳定性，从而影响其生态功能和服务（Cardinale等人，2012年）。温度升高像一个环境过滤器一样，选择性地清除某些微生物类群，并通过重新配置资源利用、生活史特征和物种相互作用来改变群落结构（Blois等人，2013年）。此外，由温度驱动的微生物分类群的多样性减少可能会严重扰乱生态系统功能（Delgado等人，2016年；Pecl等人，2017年）。然而，南极苔原微生物群落在热应力下的生活史策略选择（r/K选择），特别是在急性变暖情景下极地土壤微生物如何在生长和维持过程之间重新分配资源，仍知之甚少。

本研究建立了在受控升温梯度下的土壤微宇宙系统，量化了温室气体通量和土壤的物理化学性质。通过高通量Illumina测序技术，我们精确地描述了不同温度应力梯度下的细菌群落动态。为填补受气候变暖威胁的南极苔原生态系统在应激响应微生物生态学方面的知识空白，我们严格研究了：（i）热应力对土壤养分循环和温室气体排放的影响；（ii）土壤呼吸的Q₁₀系数（温度敏感性）及其相对全球变暖潜力（GWP）；（iii）细菌多样性、群落抵抗力和生活史策略转变（例如，富营养型与贫营养型之间的权衡）；（iv）温室气体排放与微生物群落变化之间的关系。本研究旨在提供关于地球上最脆弱地区之一中微生物-土壤相互作用机制的见解，这些机制基于碳循环对全球变暖的响应。

章节摘录

野外描述和样本采集

2023年1月，我们在南极长城站附近（61°S-66°S，58°W-59°W）的冻土带采集了土壤样本（见表S1）。该地区的年平均温度为-0.2°C，年平均降水量为30-55毫米。表土（0-15厘米深度）被收集在无菌袋中，并保存在-20°C的温度下直至实验室试验。

实验设计和环境因素测量

我们使用了10克南极原始土壤，在120毫升的血清瓶中进行了为期30天的实验，设置了三种处理条件：0°C（L组，低温度）

土壤物理化学性质的热变响应

实验结果显示，土壤溶质和温室气体通量都表现出显著的热响应。溶解有机碳（DOC）浓度在0-5°C温差下减少了29.83%，在0-10°C温差下减少了30.50%（P < 0.05；图1a），溶解氮（DN）在相同温度区间内的减少幅度也分别为27.28%和27.35%（P < 0.05；图1a）。这种热敏感性同样适用于无机氮和硫

土壤栖息地稳定性的热重构

研究中发现，气候变暖导致南极苔原土壤中的碳和氮资源大量流失。特别是溶解有机碳（DOC）浓度在0-5°C温差下减少了29.83%，在0-10°C温差下减少了30.50%，溶解氮（DN）在相同温度区间内的减少幅度也为27.28%和27.35%（图1a）。这些现象表明全球变暖对当地生态系统有极大的负面影响

结论

总之，气候变暖通过三种相互关联的机制对南极苔原土壤的生态系统稳定性产生了连锁影响（见图6）。首先，自我强化的温室气体反馈循环（如永冻土中二氧化碳的释放和碳封存能力的下降）正在使全球变暖加速，超过了可逆转的阈值。关键的是，热应力从根本上改变了微生物群落的结构：养分保持能力的下降促使群落从富营养型向贫营养型转变（r-策略）

数据可用性声明

原始测序数据已存放在国家生物技术信息中心，BioProject编号为PRJNA1435583。所有支持数据将在通过评审后公开。

未引用的参考文献

Csardi和Nepusz，2006年；Dong，2022a年；Li等人，2019年；Peng等人，2024年；Xue等人，2021年；Zhang等人，2021年

CRediT作者贡献声明

赵世杰：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、方法学设计、研究实施、数据分析、概念构思。吴世博：研究实施、数据分析。毕佳曼：研究实施、数据分析。史晓红：资源获取、研究实施、资金争取。吴尚华：撰写——审稿与编辑、结果验证、项目监督、资源管理、方法学设计、资金争取

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42230411和42277215）、中国国家重点研发计划（编号2024YFF1306401）以及黄河流域生态保护与高质量发展联合研究计划（编号2022-YRUC-01-0102）的支持。作者感谢中国极地研究所和长城站对这项工作的支持。

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