Ecology Letters:李金全和聂明团队揭示土壤微生物分解难分解碳过程的热适应现象

发布时间:2023-08-18浏览次数:273

土壤呼吸是陆地生态系统与大气之间最大的CO2通量,在全球碳循环中扮演重要角色,其主要包括自氧呼吸(主要来自植物根系呼吸)和异氧呼吸(主要来自土壤微生物呼吸)两部分。土壤微生物呼吸,即土壤微生物分解土壤有机碳时所释放的CO2,约占土壤总呼吸的60%,其微小变化将会对大气CO2浓度产生显著影响。温度是影响土壤微生物呼吸的重要环境因子,温度升高微生物呼吸通常增强,对全球变暖形成正反馈效应。近年来,越来越多的实验表明,随着增温时间的推进,温度对微生物呼吸的促进作用会削弱,并认为这是由于微生物的热适应现象导致。

以往对土壤微生物热适应的研究中,通常会通过添加过量的易分解碳(如葡萄糖)以排除底物限制对微生物呼吸的影响,使得以往的研究结果通常反映以易分解碳为底物的微生物群落(如富营养型微生物)热适应。土壤有机碳组成复杂,并且大部分(通常>90%)以难分解碳的形式存在。微生物分解不同可分解性碳过程是否持续存在热适应现象,换言之,微生物分解难分解碳过程是否存在热适应?这一问题尚未解决。

为回答这一问题,本研究采集了两种典型生态系统(自然林和农田)土壤,在不同温度(10、20和30°C)开展了6年的长期培养实验,使得土壤微生物分解过程从以易分解碳为主到以难分解碳为主转变,并定期在三个短期测试温度(10、20和30°C)测定土壤微生物呼吸速率。本研究主要通过单位微生物呼吸速率(Rmass,microbial respiration rate per unit microbial biomass)反映土壤微生物呼吸热适应;若热适应存在,在相同的短期测试温度下,长期培养温度越高Rmass越低。

本研究发现,不管是自然土壤还是受人工干扰土壤,在相同的短期测试温度下,较高的长期培养温度下Rmass均小于较低的长期培养温度,并且这一现象在整个长期培养过程中持续存在(图1)。


▲图1 | 不同长期培养温度下单位微生物呼吸速率(Rmass)。

通过分析矿物保护、底物质量、微生物特征等土壤微生物呼吸可能的影响因子,本研究进一步探究了土壤微生物热适应的机制。结果表明,土壤微生物热适应主要受微生物群落的生活史策略调控,并且不同长期培养温度下Rmass差异与微生物寡营养型:富营养型比例表现出正相关关系(图2)。



▲图2 | 土壤pH、矿物保护、底物质量和微生物特征因子对单位微生物呼吸速率(Rmass)的调控作用。

综上,本研究发现,土壤微生物呼吸在长期土壤碳分解过程均表现出热适应现象,拓展了以往的易分解碳分解过程的热适应现象,揭示了微生物在难分解碳分解过程也存在热适应。本研究结果表明,土壤微生物呼吸对温度变化的生理反应可能是属于不同功能群(富营养型vs寡营养型)微生物的共同特征。如果土壤微生物分解难分解碳的热适应现象在野外系统普遍存在,气候变暖对土壤碳损失的刺激作用可能比当前预测的要小。

mg4355娱乐线路检测官网李金全青年研究员为论文第一作者、聂明教授为论文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金重大研究计划和青年项目、上海市基础特区研究计划、上海市自然科学基金等项目的资助。

论文信息

标题:Thermal adaptation of microbial respiration persists throughout long-term soil carbon decomposition

期刊:Ecology Letters

类型:Letter

作者:李金全, 裴俊敏, 方长明, 李博, & 聂明*

时间:2023-08-17

DOI :https://doi.org/10.1111/ele.14296