GCB: 全球變化下微生物碳利用效率的響應機制及其土壤固碳效應

近日，水土保持與荒漠化整治全國重點實驗室在土壤碳循環(huán)領域取得新進展。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)境領域頂級期刊Global Change Biology上（5年影響因子=13）。西北農(nóng)林科技大學水土保持與荒漠化整治全國重點實驗室為第一單位，博士研究生石經(jīng)瑋為論文第一作者，鄧蕾研究員為通訊作者。

微生物碳利用效率（CUE）是土壤碳循環(huán)中的關鍵參數(shù)，其可以衡量土壤有機碳（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對全球變化的響應模式及驅動因素尚不明確，且全球變化下CUE-SOC之間的關系仍不明確，以上問題嚴重制約了我們對土壤有機碳-氣候變化反饋的理解。基于此，課題組匯編微生物CUE的所有測定方法，通過對全球多樣點數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，探究全球變化因子對微生物CUE的影響。取得主要結果如下：

（1）全球范圍內(nèi)，土地利用轉換和自然恢復措施是影響CUE的最關鍵因子。退耕還林和植被恢復等措施分別使CUE降低了11%和17%（圖1）。這是由于植被恢復后凋落物數(shù)量的增加通過激發(fā)效應增加土壤碳的損失，從而降低了CUE。相比之下，天然草地恢復使CUE提高了41%，這表明在氣候變化背景下，重視草地恢復是增強陸地土壤碳匯的有效策略。另外，恢復年限和生態(tài)系統(tǒng)類型是CUE的重要影響因素。例如，短期植被恢復（< 30年）對CUE沒有影響，而長期效應顯著；退耕還林在溫帶地區(qū)降低了CUE（-12%），而在亞熱帶地區(qū)無顯著影響。這些結果表明在實施退耕還林等工程時需建立區(qū)域差異化管理框架，將恢復年限納入中長期生態(tài)效益評估體系，以優(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全球變化的響應

（2）CUE對氣候變化因子和大多數(shù)施肥措施的響應不敏感。在各施肥處理中，只有氮磷鉀施肥處理顯著增加了CUE（ 18%），這是因為營養(yǎng)物質的聯(lián)合施用可以使植物產(chǎn)生高質量的碳源，減少土壤微生物的養(yǎng)分限制，從而增加了CUE。施肥類型和速率是CUE的重要影響因素。由于有機肥料比無機肥料更容易被微生物吸收，從而增加微生物活動，所以，施用有機肥和高水平的磷肥（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。這些結果表明在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中碳匯管理應優(yōu)先采用氮磷鉀協(xié)同配施方案，并在有機肥施用中配套建立磷素精準調控機制，通過優(yōu)化養(yǎng)分互作關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。這是因為微生物在低pH條件下需要更多的能量來克服H /Al3 脅迫。在低pH環(huán)境下，細菌和真核生物之間的資源競爭加劇，這些變化最終導致CUE的減少。pH對全球變化因子的響應比CUE的變化更快，這表明微生物對pH變化的反饋延遲，土壤酸化對CUE的影響可能比最初預期的要慢

（4）在退耕還林等植被恢復情景下，CUE-SOC之間存在負相關關系。而在其他全球變化情景下，CUE-SOC之間無顯著關系。這是因為微生物對碳的利用代表了有機碳形成的初始階段，在SOC形成過程的后期階段中，碳的穩(wěn)定性（即微生物碳泵）在評估SOC儲存時通常更加關鍵，而這一點在最新的全球CUE模型中往往被忽視。

（5）首次利用隨機森林模型嘗試獲得氣候變化對CUE的長期影響，模型綜合考慮了CUE的主要影響因素包括pH、土壤理化性質和氣候因子在內(nèi)的多種環(huán)境變量。結果表明在三種共享社會經(jīng)濟路徑（SSPs）下，微生物CUE預計到2100年變化緩慢（圖2）。這些結果表明，土壤微生物群落對氣候變化的適應能力可能比以前假設的更強，同時強調了當前模型的局限性，并增加了我們對生態(tài)過程的理解。

圖2 未來不同氣候變化情景下全球微生物碳利用效率的變化趨勢

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

該研究得到國家自然科學基金（42277471）和國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目（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 鄧蕾

編輯｜翟勇

終審｜韓鎖昌