PNAS | 兰州大学等团队揭示土壤微生物面对不对称变暖的挑战

       气候变化使冬季温度升高的速度超过夏季，特别是在高海拔地区。这种“不对称”的变暖可能会通过改变微生物活动超出预期而对储存在这些地区土壤中的大量碳造成麻烦。

       地球上的土壤储存的碳量超过了除海洋以外任何生态系统的碳量，并且如果管理得当，可以储存更多的碳。但是，土壤碳受到了气候变化的威胁。研究人员预计，更高的温度将增加以温室气体形式释放到大气中的土壤碳量，主要是由于土壤微生物行为的变化。然而，这种变暖反馈的规模仍然不确定。

文章来源：

       公元2024年10月14日，国际权威学术期刊美国国家科学院院刊PNAS发表了兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室/南京农业大学凌宁教授和沈其荣院士团队的最新相关研究成果，题为Asymmetric winter warming reduces microbial carbon use efficiency and growth more than symmetric year-round warming in alpine soils的研究论文。兰州大学贺金生教授和清华大学杨云锋教授为论文的共同作者。

索引：

       Li L, Xu Q C, Jiang S J, et al. Asymmetric winter warming reduces microbial carbon use efficiency and growth more than symmetric year-round warming in alpine soils [J]. PNAS, 2024, 121 (43) e2401523121.https://doi.org/10.1073/pnas.2401523121

下载PDF文件（仅供学术交流）:

       20240918-Land use drives the distribution of free, physically protected,and chemically protected soil organic carbon storage at a globalscale.pdf3775-year-old wood burial supports “wood vaulting” as a durable carbon removal method.pdfMicrobial extracellular polymeric substances in the environment, technology and medicine.pdfAqueous and Colloidal Dynamics in Size-Fractionated Paddy Soil Aggregates with Multiple Metal Contaminants under Redox Alternations.pdfThe coevolution of fungus-ant agriculture.pdfAsymmetric winter warming reduces microbial carbon use efficiency and growth more than symmetric year-round warming in alpine soils.pdf

内容：

       该团队的研究人员在青藏高原的一个实验草地上加热土壤，以测试不同模式的变暖如何改变微生物活动。一些土壤保持在环境温度下，而另一些则全年受到2°C的“对称”变暖影响。第三组土壤在冬季受到2.5至2.8°C的变暖，在其余时间受到0.5至0.8°C的变暖，这是一个更接近实际变暖模式的真实模拟。

       在2011年至2020年的十年间接受了这种处理后，研究人员测试了来自不同土壤样本的微生物活动。他们特别关注两个指标：生长速率和一个表明生物体如何利用碳的指标，即碳利用效率。研究表明，这是决定土壤中有机碳储量的主要因素之一。当微生物摄取碳时，它有两种选择：它可以将其分解以获取能量并以CO₂的形式呼吸出来，或者用它来构建新的身体结构。更高的生长率意味着微生物使用了更多的碳，而更高的碳利用效率则意味着更多的碳被用于构建身体结构，而不是以CO₂的形式呼吸出来。

       研究人员发现，两种变暖模式都显著减少了微生物活动。相对于暴露于环境温度下的土壤，对称变暖下的土壤生长率下降了31%，碳利用效率下降了22%。在不对称变暖条件下，这一效果更为强烈，生长率降低了58%，碳利用效率降低了81%。他们将这些差异归因于包括提供给微生物的营养素变化在内的多种因素。他们的研究结果表明，土壤碳储存可能会减少，降低陆地生态系统固碳的能力，并削弱土壤作为应对气候变化自然解决方案的有效性。

       由于目前的模型没有考虑到不对称变暖，研究人员可能低估了由于气候变化导致的土壤碳损失。然而，这些发现可能只适用于寒冷生态系统中的土壤，需要进一步的研究来了解微生物活动变化对碳的具体意义。例如，尽管微生物活动发生了显著变化，但在整个实验过程中，土壤中储存的碳总量并没有发生变化。

文章亮点：

       1. 不对称冬季变暖的影响：研究首次揭示了不对称冬季变暖（即冬季温度上升比夏季更显著）对高山土壤微生物生理过程的影响，尤其是对微生物碳利用效率（CUE）和生长的影响。

       2. 长期变暖的生态效应：通过长达十年的季节性试验，研究了长期变暖对高山草甸生态系统中微生物CUE和生长的影响，提供了长期气候变化对土壤微生物学影响的实证数据。

       3. 微生物生理限制的增加：研究发现，长期变暖增加了微生物对碳的生理限制，尤其是在不对称冬季变暖条件下，这种限制更为显著。  

       4. 细菌生长的抑制：研究显示，长期变暖抑制了大多数细菌属的生长速率，而不对称冬季变暖对特定属（如Gp10、Actinomarinicola、Bosea、Acidibacter和Gemmata）的生长抑制更为强烈。

       5. 细菌生长的系统发育保守性：研究还探讨了细菌生长速率的系统发育保守性，并发现在变暖条件下，这种保守性减弱，主要是由于细菌生理状态的变化而非细菌种类和群落组成的数量。

重点图表:

图 1. 微生物对气候变暖的新陈代谢反应

图 2. 应对气候变暖的微生物资源获取策略

图 3. 环境（A）、全年变暖（B）和冬季变暖（C）土壤中 EAF-¹⁸O 的分类群特异性变化

图 4. 生长细菌类群的绝对生长率与系统发育的关系

图 5. 生长细菌的人均增长率与种群密度之间的关系

图 6. 与环境气候相比，全年对称或冬季不对称变暖对微生物 CUE 影响的概念图

文章结论:

       1. 不对称冬季变暖的显著影响：不对称冬季变暖比对称全年变暖更大幅度地降低了高山草甸土壤中微生物的生长速率和碳利用效率（CUE）。

       2. 微生物碳限制的增加：长期变暖，尤其是不对称冬季变暖，增加了土壤微生物对碳的生理限制，这可能导致土壤碳储存能力下降。

       3. 细菌生长和系统发育保守性的改变：长期变暖导致大多数细菌属的生长速率受到抑制，且在不同属之间存在差异性响应。变暖条件下，细菌生长速率的系统发育保守性减弱，表明环境压力可以改变微生物的生理特征。

       4. 微生物群落结构和功能的变化：长期变暖改变了微生物群落的结构和功能，特别是减少了活跃生长的细菌数量，这可能影响土壤生态系统的功能。

       5. 对未来土壤碳循环的预测：研究结果强调了理解不对称冬季变暖对土壤微生物学影响的重要性，这对于预测未来土壤碳循环和全球气候变化反馈具有重要意义。

       6. 未来研究方向：建议未来的研究应关注如何通过减轻营养限制来维持微生物CUE，以确保土壤功能的持续性。