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本文由朱雪峰编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 对于气候变化的研究长期以来多集中在气候变暖的现象上，然而从逐渐增多的短期和区域性的气候变冷现象来看，全球气候的变化是具有一定周期和尺度性差异的。历史上南极大陆曾经出现过长达近40年的气候变冷现象，不仅降低了该地的初级生产力，还减少了无脊椎动物的数量，因此，不论是从生态保护的迫切性还是气候应对策略的制定上，对于气候变冷的预判和研究是势在必行的。本文的研究人员巧妙的利用海拔差异营造气候变冷的条件，在青藏高原草甸上开展了“土壤移植”的方法，将低海拔的土壤连同植被转移到高海拔处，用以探究气候变冷对土壤有机碳的影响。 论文ID 原名：Alpine soil carbon is vulnerable to rapid microbial decomposition under climate cooling 译名：高寒土壤碳在气候变冷条件下易被微生物快速分解 期刊：The ISME Journal IF：9.52 发表时间：2017年 通信作者：Yunfeng Yang（杨云锋） 通信作者单位：清华大学 实验设计 实验样地选取在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站。实验依托四个海拔梯度3200 m，3400 m，3600 m和3800 m，分别将较低海拔处的土壤按一定规格挖出放置在较高海拔梯度处。具体的实验操作是，在较低的海拔挖 1 m*1 m*0.3 m大小的土块，将挖出的土壤连同地上部植被一同转移至更高海拔进行培养观察。对照为原位挖出再填回原位的土壤和植被，所有被挖的土壤周围用塑料围起以防止边际土壤的干扰。 三年后，采集0-20 cm土层样本进行16S细菌高通量测序，基因芯片以及环境因子的分析测定。具体的环境指标包括：植被种类，密度，生物量和平均株高，土壤温度，水分含量，总有机碳，总氮，硝态氮，氨态氮和土壤有机碳密度。另外还测定了生态系统呼吸，甲烷和氧化亚氮气体。 实验内容 1. 气候变冷影响土壤理化性质 气候变冷显著降低了土壤温度和pH。海拔由低到高气温每下降1℃，表层5 cm处土壤温度下降2.41℃。气候变冷对土壤含水量、植物物种丰度没有显著影响，但是对植物生物量和总的植物盖度具有负向影响（图1）。 图1 气候变冷对环境因子的影响 2. 气候变冷影响土壤微生物的群落结构和功能 土壤移植后，土壤微生物的群落结构和功能都发生了显著变化（表1），并且群落结构和功能基因的变化间存在着显著的相关性，两者的变化具有一致性。这种变化很大程度上是由于土壤的理化因子和地上植被因子的影响造成的，土壤温度，pH，水分，氨态氮，总有机碳氮，碳氮比，地上植物生物量，植物物种丰富度和总植物盖度均与微生物群落结构和功能呈显著的正相关。 表1 气候变冷对微生物群落组成和功能基因影响的三种差异分析结果 3. 气候变冷显著影响了土壤有机碳分解和养分循环相关的功能基因 土壤移植显著降低了与易分解碳分解相关的基因的相对丰度和多样性。（图2）。微生物群落结构的数据进一步表明，气候变冷显著降低了链霉菌属，γ-变形菌门，厚壁菌门和放线菌门的相对丰度。有趣的是，与难分解碳分解相关的功能基因没有显著变化。除了ureC外，大部分养分循环基因的丰度在气候变冷的情况下或降低或不变。对于氮循环基因，amoA基因和norB基因的丰度显著降低。 图2 气候变冷对碳分解基因相对丰度的影响 4. 气候变冷降低了生态系统呼吸和土壤有机碳含量 二氧化碳的释放主要与土壤和植物因子高度相关。具体来看，二氧化碳释放量与植物生物量，植物盖度和植物物种丰富度，土壤温度，pH以及0-10 cm的土壤有机碳含量正相关，而与土壤含水量负相关（图3a）。其中，空气温度和植物盖度是影响二氧化碳排放的主要因子。空气温度的降低，即气候变冷，很可能通过降低植物的自养呼吸而降低生态系统呼吸，进而减少二氧化碳的释放量。另外，气候变冷降低了土壤有机碳和总氮的含量，气温每下降1℃，10-20 cm土层有机碳减少2.55 mg/g（图1）。 图3 （a）二氧化碳释放量与植物生物量的相关性；（b）土壤有机碳密度变化与气温变化的相关性。 5. 气候变冷显著改变温室气体的排放 气候变冷情况下，N2O的排放量或降低或不变。当去掉植物和土壤变因子的影响时，N2O的排放量与norB基因的相对丰度正相关，表明这些N2O来自微生物的分解。气候变冷没有显著改变甲烷的释放。本实验中，高寒草原呈现出甲烷汇的特点，表明甲烷氧化过程主导高寒草地甲烷循环过程。甲烷产生基因mcrA与甲烷的排放没有显著相关性，相反，与甲烷氧化相关的mmoX基因与甲烷排放正相关（表2），进一步说明甲烷氧化过程的主导作用。由于甲烷的产生是一个厌氧过程，因此很可能受到土壤水分的影响，而不是温度，因此气候变冷没有显著影响土壤的甲烷排放。 表2 环境因子和微生物功能基因对温室气体排放的影响 6. 气候变冷显著降低土壤有机碳储量 0-20 cm 土层的有机碳的损失与气候变冷呈正相关（图3b），其中将海拔3200 m处的土壤转移至海拔3800 m时，土壤有机碳降低最为显著。总体来看，气温每降低1℃，有机碳降低0.088 kg C/m2. 据此粗略估计，气温每降低1℃，青藏高原草甸土将损失0.1Pg有机碳，将达到青藏高原储碳量的0.3%。土壤有机碳的降低可能是由于即使气温降低减少了土壤呼吸对原土有机质的消耗，但是呼吸消耗有机碳减少的幅度不足以抵消植物碳输入减少带来的碳损失，进而导致土壤有机碳的含量下降。另外，难分解碳降解基因的相对丰度没有受到气候变冷的影响，微生物对于难分解碳的长期分解会加速土壤碳的流失。综上，尽管本实验中发现气候变冷同气候变暖一样可以降低土壤有机碳，但是两者的内在机制可能大不相同。 结 论 上述结果表明，微生物对于气候变冷的响应能够影响土壤中难分解和易分解有机碳的周转，进而对土壤有机碳储存产生不利影响。 评 论 本文的研究结果不仅强调了植物和微生物在为全球气候变化提供生态系统反馈过程中的重要作用，同时该研究还为地球历史上出现过的多次气候变冷及其连带的生态学现象的解读提供了参考借鉴。 |
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