研究證明土壤微生物碳利用對溫度變化的線性響應

近日，西北農林科技大學農學院區域發展與循環農業團隊在土壤碳循環領域取得新進展，首次在大尺度上證明土壤微生物CUE（碳利用效率）對溫度變化的線性響應，該研究成果發表于《自然-通訊》上。

CUE是土壤微生物組的關鍵生理生態性狀，其平衡土壤有機碳的形成和釋放。將微生物CUE整合到地球系統模型中可以顯著提高模型對土壤碳循環過程的模擬精度。然而，微生物CUE如何響應與適應氣候變化尚不清楚，微生物CUE如何調控土壤有機碳周轉亟待解決。

基于此，該研究利用18O同位素示蹤技術量化了中國南北樣帶典型森林土壤5、10、15、20、25、30℃下的微生物CUE。結合宏基因組和核磁共振技術，利用結構方程模型挖掘氣候、土壤屬性、底物質量、微生物群落結構和功能對大尺度森林土壤微生物CUE及其溫度敏感性的驅動機制，并進一步解析微生物CUE對土壤有機碳-氣候變化反饋的調控機理。

研究發現，氣候是影響土壤微生物CUE及其溫度敏感性（微生物CUE與測量溫度之間線性關系的斜率）的主要因素。即，微生物CUE隨年平均氣溫升高降低，而微生物CUE的溫度敏感性隨年平均氣溫升高增加。溫帶森林土壤微生物CUE的負溫度敏感性和熱帶/亞熱帶森林的正溫度敏感性表明微生物CUE在其長期適應的溫度下達到最佳。研究修正了理論和模型研究中CUE的溫度敏感性為負值的假設，研究結果可以提高了現有微生物模型對土壤有機碳循環的預測精度。

氣候還通過改變土壤屬性、底物質量、微生物群落結構和功能調控微生物CUE及其溫度敏感性。研究發現，土壤微生物利用低質量有機碳卻具有高的微生物CUE，這是因為微生物通過調整群落結構和功能基因適應底物質量的變化。真菌比細菌更適應低溫條件，且具有較高的CUE。因此，溫帶森林土壤中高的真菌細菌比增加了微生物CUE。隨著溫度升高，微生物代謝將由真菌主導轉變為細菌主導。這一轉變中，富營養細菌利用高緯度森林低質量有機碳將具有較低的CUE，進一步導致負的微生物CUE溫度敏感性，反之，會導致熱帶/亞熱帶森林的正的微生物CUE溫度敏感性。

相同溫度條件下，溫帶森林土壤微生物對有機碳的同化吸收能力要高于熱帶/亞熱帶森林。此外，當溫度低于24°C時，增溫將加劇碳的排放，表現為正反饋；當溫度超過24°C，增溫降低了碳的排放速率，表現為負反饋。總之，土壤微生物CUE的可塑性及其溫度敏感性改變了土壤有機碳對氣候變暖的反饋：氣候適應性微生物群落在相應的有利氣候條件下可以通過提高CUE來有效的降低其對土壤有機碳的分解釋放。這一發現有助于研發“因地制宜”的“碳中和”微生物菌株以提高土壤碳匯功能。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50593-6