土壤微生物異養(yǎng)呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣釋放碳的重要過程,在全球范圍內(nèi),土壤呼吸通常隨溫度增加而增加,其響應(yīng)強(qiáng)度用土壤呼吸溫度敏感性(Q10)表示,即溫度每增加10℃土壤呼吸所增加的倍數(shù)。在很多傳統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)模型中,Q10通常被當(dāng)做一個(gè)常數(shù)值2.0,然而越來越多的研究表明Q10在時(shí)間和空間上都存在較大波動(dòng),使我們高估或者低估了碳-氣候反饋?zhàn)饔?。因此,研?span lang="EN-US" style="">Q10的時(shí)空變化對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定區(qū)域(特別是對(duì)氣候變化敏感且碳儲(chǔ)量較高的中高緯度森林生態(tài)系統(tǒng))碳排放具有重要意義。本研究擬解決三個(gè)科學(xué)問題:1)Q10在緯度梯度上是否存在變化?其規(guī)律在不同季節(jié)之間是否存在分異?2)Q10是否存在季節(jié)波動(dòng)?其規(guī)律在不同氣候區(qū)(緯度)是否存在分異?3)Q10的時(shí)空變化規(guī)律驅(qū)動(dòng)機(jī)制是什么?特別是與微生物生態(tài)策略之間的關(guān)系。
沈陽生態(tài)所土壤化學(xué)組研究團(tuán)隊(duì)以中國東北闊葉紅松林為研究對(duì)象,從分布區(qū)域選取了北(北緯47°12'47")、中(42°28'59") 、南(41°50'02")3個(gè)樣點(diǎn),分別于春季(4月下旬)、夏季(7月中旬)和秋季(10月下旬)采集土壤樣品(圖1a),采用短期培養(yǎng)法測(cè)定了Q10值、土壤碳質(zhì)量和有效性及其他基本理化性質(zhì)、土壤微生物群落組成、與碳降解相關(guān)的功能基因豐度。研究發(fā)現(xiàn),Q10的緯度梯度趨勢(shì)取決于采樣季節(jié),且各個(gè)季節(jié)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同。在春季Q10值越往南越大,隨采樣點(diǎn)年均溫增加而增加(圖1b);Q10的緯度梯度變化主要受碳有效性(CAI)影響,隨著CAI從北向南逐漸降低Q10逐漸增加,符合碳質(zhì)量-溫度(Carbon quality-temperature,CQT)假說;由于春季微生物將更多能量投資于增加生物量(high-yield strategy),因此春季Q10與微生物群落結(jié)構(gòu)和功能之間無緊密關(guān)聯(lián)(圖2a和圖3a)。在夏季,Q10值在3個(gè)采樣點(diǎn)之間沒有顯著差異(圖1b),可能是由于采樣點(diǎn)之間凋落物和土壤碳質(zhì)量相似;根系分泌物和殘留凋落物降解為微生物提供了大量有效養(yǎng)分,CAI通過刺激微生物群落r-策略 (包括富營養(yǎng)/寡營養(yǎng)微生物比值和活性有機(jī)碳/惰性有機(jī)碳降解基因比值)間接提高Q10(圖2a和圖3a)。在秋季,Q10值同樣在南部溫暖地區(qū)較大(圖1b);新鮮凋落物可能通過激發(fā)效應(yīng)刺激微生物群落K-策略,從而使惰性碳對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)更大(圖2a和圖3a)。Q10的季節(jié)動(dòng)態(tài)也隨采樣點(diǎn)不同而不同,在闊葉紅松林的南部和中部地區(qū),Q10在夏季最低,在春、秋較高,符合大多數(shù)研究認(rèn)為的溫度高的季節(jié)Q10較低。但在北部地區(qū),由于針葉林占主導(dǎo),凋落物數(shù)量和質(zhì)量在全年基本無明顯波動(dòng),土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能季節(jié)波動(dòng)也很小,導(dǎo)致Q10無明顯季節(jié)變化。本研究加深了我們對(duì)Q10時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí),特別是首次嘗試基于微生物遺傳信息揭示緯度梯度和季節(jié)變化條件下“Q10-碳質(zhì)量和有效性-微生物生態(tài)功能”之間的復(fù)雜關(guān)系,可為后續(xù)的相關(guān)研究提供重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
上述結(jié)果以“Linkages between the temperature sensitivity of soil respiration and microbial life strategy are dependent on sampling season”為題于2022年6月在線發(fā)表在Soil Biology &Biochemistry上。土壤化學(xué)組聯(lián)合培養(yǎng)研究生楊山博士(現(xiàn)為廣東省微生物研究所助理研究員)為第一作者,李慧研究員為通訊作者,沈陽生態(tài)所姜勇研究員、王緒高研究員、葉吉副研究員、陰黎明副研究員、博士生吳輝和王志瑞等為共同作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金委面上基金項(xiàng)目(31870482,31570501)和中俄國際合作項(xiàng)目(31811530080)等的資助。







