高原鼢鼠土丘表现出微生物固碳潜力与土壤碳保持之间的脱钩现象

《CATENA》：Plateau zokor mounds exhibit decoupling between microbial carbon fixation potential and soil carbon retention

　　

•新鲜高原鼠兔土堆的土壤有机碳（SOC）浓度低25.1%，矿物结合有机碳（MOC）浓度低35.6%。•CBB相关基因下降，而rTCA相关基因富集。•固碳相关基因的转移与SOC保留脱钩。•SOC降低与植被输入和MOC减少有关，而非广泛分解。

引言

青藏高原（QTP）是世界上海拔最高、面积最大的高原，孕育了广阔的高寒生态系统，并在区域和全球碳循环中发挥着关键作用（Yang等，2010）。高寒草地是青藏高原占主导地位的一种生态系统类型，含有大量的土壤有机碳（SOC）库，其表层1米土壤有机碳储量估计约为27.2 Pg（Chen等，2022）。然而，低温限制了有机质的周转，使得这一大型碳库相对稳定，但对外界干扰高度敏感（Schuur等，2015）。近年来，在气候变化和人类活动的共同压力下，青藏高原草地退化加剧（Dong，2023；Tian等，2020）。在涉及的生物驱动因子中，高原鼠兔（Eospalax baileyi）被广泛认为是重塑土壤结构和资源分布的关键生物扰动因子（Zhang和Liu，2003）。过度放牧可能通过减少植被覆盖、改变植物竞争以及削弱生态系统对扰动的抵抗力，从而促进高原鼠兔的扩张，有利于地下鼠类的发展（Wilson和Smith，2015）。高原鼠兔作为生态系统工程师，进一步影响着高寒草地（Yang等，2018）。通过掘洞、开凿隧道和筑巢，它们将土壤从地下隧道搬运至地表并形成裸露土堆，从而重塑土壤剖面和非地形貌（Sherrod和Seastedt，2001）。由于土堆材料是从较深的土壤层搬运并沉积在地表的，而非完整的地表表土，因此高原鼠兔土堆土壤代表了一种与相邻未受干扰草地土壤不同的土壤来源背景，并伴随着物理化学条件的差异。因此，高原鼠兔土堆土壤与相邻未受干扰草地土壤之间的差异反映了挖掘暴露的亚表层土壤、植被缺失以及土堆形成后地表微环境改变的综合效应。这种急剧的生境变化可能对土壤微生物施加强烈的环境筛选压力，从而改变微生物群落结构和代谢策略。此前的研究表明，土堆形成可以改变细菌群落组成并降低群落复杂性（Tang等，2026；Zhang等，2003）。因此，高原鼠兔扰动不仅仅是局部物理扰动；通过暴露亚表层土壤、创建裸露斑块和重构土壤微环境，它可能改变高寒草地生态系统中的碳循环过程（Guo等，2012）。

从SOC保留的角度来看，高原鼠兔扰动对SOC的影响反映了碳输入、微生物转化以及在相对持久库中保留之间的平衡，而非有机质的简单增减。植被覆盖减少和根系受损直接降低了凋落物归还和根系碳输入（Smith等，2016）。与此同时，亚表层土壤翻动和团粒结构破坏可能改变土壤通气性和水分条件，使先前受保护的有机质暴露于微生物作用下，从而可能改变与矿化相关的碳途径（Six等，2002a）。pH、养分状况和矿物结合有机碳组分的变化可能进一步影响SOC的持久性和保留，尽管直接稳定机制还需要对团粒稳定性、矿物表面性质和有机-矿物结合进行额外测量（Six等，2002b）。微生物通过胞外酶活性介导碳分解，同时也参与影响SOC持久性的碳转化过程（Jiao和Zheng，2011）。因此，理解高原鼠兔扰动下的SOC动态需要将SOC变化与碳组分、植物来源碳输入以及微生物介导的碳转化潜力联系起来，尤其是在植物来源输入减少、基质可利用性改变和微环境急剧变化的条件下（Yang等，2025）。早期土堆演替的证据表明，生境破碎化可以驱动细菌组成的变化，而SOC是微生物群落变异的重要决定因素，这意味着SOC的可利用性和持久性可能与高寒草地中的微生物韧性相关（Tang等，2026）。

尽管对高原鼠兔扰动的关注不断增加，但在我们对其影响SOC动态的理解中仍存在两个关键的机制性空白。首先，大多数现有研究主要关注植被响应、土壤物理化学性质和微生物多样性（Li等，2025），而对微生物碳循环功能的关注较少。然而，在强烈的环境筛选压力下，微生物多样性或群落组成的变化并不一定转化为生态系统功能的变化，因为功能冗余和代谢可塑性（Allison和Martiny，2008）的存在。其次，微生物碳循环途径（特别是固碳和碳分解途径）在高原鼠兔土堆土壤中的基因水平变化特征仍不清楚（Maaroufi和De Long，2020）。因此，土堆系统中较低的SOC究竟主要与植被相关碳输入潜力的减少、微生物碳循环功能的改变有关，还是两者共同作用的结果，仍然不明确。解决这一问题需要直接表征微生物功能基因，而这仅依靠扩增子测序无法实现。虽然16S rRNA和ITS测序可以表征细菌和真菌群落组成，但基于扩增子的功能推断工具（如PICRUSt2）仅提供对功能基因谱的间接预测，且对参考基因组覆盖度敏感（Douglas等，2020）。鸟枪法宏基因组测序能够直接注释碳循环基因，因此为评估鼠兔扰动土堆土壤中微生物固碳和分解相关的遗传潜力提供了更合适的方法。在本研究中，我们使用鸟枪法宏基因组测序来表征高原鼠兔土堆土壤中的微生物碳循环功能基因，将先前的群落水平评估扩展至基因水平的功能潜力。

微生物自养固碳可能代表高寒土壤中一条被忽视的额外碳输入途径（Feng等，2023）。Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环通常被认为是主要的微生物固碳途径。由于能量效率的差异，氧化还原和能量条件的变化可能使替代途径（如rTCA）相较于CBB循环更具优势（Hügler和Sievert，2011）。土堆形成可能在改变分解潜力的同时改变微生物固碳策略，从而将群落重组、功能重构和碳周转与SOC动态联系起来（Zhou等，2012）。然而，这一机制链条在高原鼠兔扰动研究中仍缺乏充分的解析，限制了我们区分SOC响应主要是由基质可利用性驱动还是由微生物介导的碳转化过程驱动的能力。

在本研究中，我们提出了三个研究问题及相应的假设。Q1：鼠兔扰动土堆与相邻未受干扰草地之间的微生物群落结构和多样性有何差异？H1：我们假设高原鼠兔土堆土壤与相邻未受干扰草地土壤之间的细菌和真菌α多样性及群落组成存在差异，并且这些差异与改变的土壤环境条件相关。Q2：这些微生物差异与固碳和分解的遗传潜力有何关联？H2：我们假设高原鼠兔土堆土壤中的微生物固碳相关遗传潜力将从CBB循环向替代固碳途径转移，特别是还原三羧酸（rTCA）循环，同时伴随参与复杂碳降解的基因变化。Q3：土堆土壤中较低的SOC水平与基质可利用性降低、微生物碳循环潜力改变还是两者兼有更为相关？H3a：我们假设高原鼠兔土堆土壤中较低的SOC与土壤生境条件的变化、微生物重组以及基质利用策略改变相联系。H3b：我们进一步假设，在植被相关碳输入潜力降低和矿物结合有机碳（MOC）较低的情况下，微生物固碳相关遗传潜力的补偿性转移并不能转化为更大的SOC保留。

**节选片段**

**研究地点**

本研究在青藏高原东部和东北部的四个高寒草地地区进行：中国青海省的祁连、刚察、班玛和泽库县（图S1）。这些地区具有典型的高原大陆性气候，年均温度范围为?2.4至2.4°C，年均降水量范围为409.3至638.4 mm，大部分降水发生在5月至9月的生长季。所有样地的主要土壤类型为高寒…

**高原鼠兔扰动下的土壤环境条件和微生物群落响应**

高原鼠兔土堆土壤在土壤物理化学条件和碳组分方面与相邻未受干扰草地土壤存在显著差异（图1；表S3-S4）。与CK土壤相比，ZM土壤的土壤容重（BD）、土壤含水量（SWC）、全氮（TN）、全磷（TP）和速效钾（AK）显著降低，而pH和全钾（TK）则升高（P < 0.05）。ZM土壤的SOC、MBC、EOC和MOC也显著低于CK土壤（P < 0.05），而DOC和…

**新形成鼠兔土堆中碳组分损失的关联分析解释**

由于所有ZM样本均采集自新形成的无植被土堆，此处观察到的模式应被解释为亚表层翻动、地表暴露、植被缺失以及植被相关碳输入潜力降低后的早期土堆条件。在这一早期扰动阶段，ZM土壤在土壤物理化学性质和碳组分方面与相邻的CK表土存在显著差异，表明新形成的土堆…

**结论**

基于四区复制配对采样设计，本研究显示，新形成的无植被高原鼠兔土堆与高寒草地中较低的SOC和MOC浓度相关联。与相邻未受干扰的草地表土相比，土堆土壤的土壤水分、TN、TP、AK、MBC、EOC和MOC均较低，同时细菌和真菌群落组成明显不同。宏基因组分析揭示了微生物固碳相关遗传潜力从C…的转移

**CRediT作者贡献声明**

Xianmin Chen：撰写—初稿，可视化，调查，形式分析。Jie Yang：撰写—审阅与编辑。Xiaojuan Zhang：撰写—审阅与编辑。Lei Yue：撰写—审阅与编辑。Guangjun Chen：撰写—审阅与编辑。Jian Yang：撰写—审阅与编辑。Jing Ma：撰写—审阅与编辑。Yiming Wang：撰写—审阅与编辑。Lirui Ma：撰写—审阅与编辑。Zhuangsheng Tang：撰写—审阅与编辑，监督，方法学，概念化。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

**致谢**

本研究得到以下资助支持：教育部甘肃省高校草地生态系统重点实验室重点攻关遴选优秀人才开放竞争项目（KLGE-2024-01）、中国农业大学对应支持研究联合基金（GSAU-DKZY-2024-004）、国家自然科学基金（32360345）、中国甘肃省自然科学基金（24JRRA632）以及伏羲青年人才…

Xianmin Chen|Jie Yang|Xiaojuan Zhang|Lei Yue|Guangjun Chen|Jian Yang|Jing Ma|Yiming Wang|Lirui Ma|Zhuangsheng Tang