GCB: 全球變化下微生物碳利用效率的響應(yīng)機(jī)制及其土壤固碳效應(yīng)

近日，水土保持與荒漠化整治全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在土壤碳循環(huán)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究成果以“Global Change Modulates Microbial Carbon Use Efficiency: Mechanisms and Impacts on Soil Organic Carbon Dynamics”為題發(fā)表在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊Global Change Biology上（5年影響因子=13）。西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化整治全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，博士研究生石經(jīng)瑋為論文第一作者，鄧?yán)傺芯繂T為通訊作者。

微生物碳利用效率（CUE）是土壤碳循環(huán)中的關(guān)鍵參數(shù)，其可以衡量土壤有機(jī)碳（SOC）形成和分解的平衡，將微生物CUE整合到地球系統(tǒng)模型中可以顯著提高模型對(duì)土壤碳循環(huán)模型的精度。然而，由于研究方法的多樣性，微生物CUE對(duì)全球變化的響應(yīng)模式及驅(qū)動(dòng)因素尚不明確，且全球變化下CUE-SOC之間的關(guān)系仍不明確，以上問(wèn)題嚴(yán)重制約了我們對(duì)土壤有機(jī)碳-氣候變化反饋的理解?；诖?，課題組匯編微生物CUE的所有測(cè)定方法，通過(guò)對(duì)全球多樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究全球變化因子對(duì)微生物CUE的影響。取得主要結(jié)果如下：

（1）全球范圍內(nèi)，土地利用轉(zhuǎn)換和自然恢復(fù)措施是影響CUE的最關(guān)鍵因子。退耕還林和植被恢復(fù)等措施分別使CUE降低了11%和17%（圖1）。這是由于植被恢復(fù)后凋落物數(shù)量的增加通過(guò)激發(fā)效應(yīng)增加土壤碳的損失，從而降低了CUE。相比之下，天然草地恢復(fù)使CUE提高了41%，這表明在氣候變化背景下，重視草地恢復(fù)是增強(qiáng)陸地土壤碳匯的有效策略。另外，恢復(fù)年限和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型是CUE的重要影響因素。例如，短期植被恢復(fù)（< 30年）對(duì)CUE沒(méi)有影響，而長(zhǎng)期效應(yīng)顯著；退耕還林在溫帶地區(qū)降低了CUE（-12%），而在亞熱帶地區(qū)無(wú)顯著影響。這些結(jié)果表明在實(shí)施退耕還林等工程時(shí)需建立區(qū)域差異化管理框架，將恢復(fù)年限納入中長(zhǎng)期生態(tài)效益評(píng)估體系，以?xún)?yōu)化碳匯功能的可持續(xù)提升路徑。

圖1 土壤微生物碳利用效率對(duì)全球變化的響應(yīng)

（2）CUE對(duì)氣候變化因子和大多數(shù)施肥措施的響應(yīng)不敏感。在各施肥處理中，只有氮磷鉀施肥處理顯著增加了CUE（ 18%），這是因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的聯(lián)合施用可以使植物產(chǎn)生高質(zhì)量的碳源，減少土壤微生物的養(yǎng)分限制，從而增加了CUE。施肥類(lèi)型和速率是CUE的重要影響因素。由于有機(jī)肥料比無(wú)機(jī)肥料更容易被微生物吸收，從而增加微生物活動(dòng)，所以，施用有機(jī)肥和高水平的磷肥（100 kg ha?1 yr?1）使CUE分別增加了11%和7%，而且，高磷添加率降低了微生物磷限制，從而增加了CUE。這些結(jié)果表明在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中碳匯管理應(yīng)優(yōu)先采用氮磷鉀協(xié)同配施方案，并在有機(jī)肥施用中配套建立磷素精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化養(yǎng)分互作關(guān)系提升土壤碳匯潛力。

（3）土壤pH值的變化是影響CUE的主要因素，CUE隨著pH的增加而增加。在未來(lái)氣候變化情景下，堿性土壤的CUE增加幅度大于酸性土壤。這是因?yàn)槲⑸镌诘蚿H條件下需要更多的能量來(lái)克服H /Al3 脅迫。在低pH環(huán)境下，細(xì)菌和真核生物之間的資源競(jìng)爭(zhēng)加劇，這些變化最終導(dǎo)致CUE的減少。pH對(duì)全球變化因子的響應(yīng)比CUE的變化更快，這表明微生物對(duì)pH變化的反饋延遲，土壤酸化對(duì)CUE的影響可能比最初預(yù)期的要慢

（4）在退耕還林等植被恢復(fù)情景下，CUE-SOC之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。而在其他全球變化情景下，CUE-SOC之間無(wú)顯著關(guān)系。這是因?yàn)槲⑸飳?duì)碳的利用代表了有機(jī)碳形成的初始階段，在SOC形成過(guò)程的后期階段中，碳的穩(wěn)定性（即微生物碳泵）在評(píng)估SOC儲(chǔ)存時(shí)通常更加關(guān)鍵，而這一點(diǎn)在最新的全球CUE模型中往往被忽視。

（5）首次利用隨機(jī)森林模型嘗試獲得氣候變化對(duì)CUE的長(zhǎng)期影響，模型綜合考慮了CUE的主要影響因素包括pH、土壤理化性質(zhì)和氣候因子在內(nèi)的多種環(huán)境變量。結(jié)果表明在三種共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSPs）下，微生物CUE預(yù)計(jì)到2100年變化緩慢（圖2）。這些結(jié)果表明，土壤微生物群落對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力可能比以前假設(shè)的更強(qiáng)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前模型的局限性，并增加了我們對(duì)生態(tài)過(guò)程的理解。

圖2 未來(lái)不同氣候變化情景下全球微生物碳利用效率的變化趨勢(shì)

該研究提供了全球變化下土壤碳循環(huán)的新視角，拓寬了對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中微生物介導(dǎo)碳轉(zhuǎn)化途徑的理解。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42277471）和國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U2243225）等資助。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.70240

圖文｜水保全重室 鄧?yán)?/p>

編輯｜翟勇

終審｜韓鎖昌