凍土是一種長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境并對(duì)氣候變化十分敏感的特殊土壤 （圖1）。由于低溫限制了土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解，導(dǎo)致凍土中儲(chǔ)存著大量有機(jī)碳。最新研究結(jié)果顯示，凍土區(qū)土壤碳儲(chǔ)量高達(dá)1.3萬(wàn)億噸，約占全球土壤碳庫(kù)的一半以上。然而，這一重要碳庫(kù)目前卻受到了氣候變暖的嚴(yán)重威脅。特別是在“極地放大效應(yīng)”的作用下，凍土分布區(qū)的增溫速率達(dá)0.6℃/10年，約為全球平均增溫速率的兩倍。
快速的氣候變暖導(dǎo)致大面積凍土融化，進(jìn)而使得凍土中長(zhǎng)期封存的有機(jī)碳被微生物分解，以CO2和CH4等溫室氣體的形式釋放至大氣中，最終會(huì)進(jìn)一步加劇氣候變暖。作為生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎，土壤微生物在調(diào)控凍土碳循環(huán)中起著重要作用。因此，認(rèn)識(shí)凍土區(qū)土壤微生物特征，揭開(kāi)凍土區(qū)土壤中“微觀世界”的神秘面紗，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凍土碳循環(huán)與氣候變暖之間的反饋關(guān)系至關(guān)重要。
圖1 裸露的凍土土壤剖面（攝影：劉富庭）
為了探索凍土區(qū)土壤中的“微觀世界”，中國(guó)科學(xué)院植物研究所楊元合研究組依托在青藏高原祁連山凍土分布區(qū)建立的熱融塌陷觀測(cè)平臺(tái)（圖2），基于宏基因組測(cè)序、室內(nèi)培養(yǎng)和碳分解模型等多種手段，解析了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能沿凍土融化序列的變化及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素 （圖3）。
圖2 凍土熱融塌陷景觀（攝影：劉富庭）
圖3 凍土熱融塌陷對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響及其關(guān)鍵途徑
（繪圖：陳蕾伊和劉富庭）
研究發(fā)現(xiàn)，熱融塌陷16年后，表層土壤微生物群落發(fā)生了明顯改變：細(xì)菌相對(duì)含量顯著增加，而古菌和真菌的相對(duì)含量顯著降低。并且，表征微生物碳分解活性的功能基因豐度也隨之改變，其中降解惰性碳組分的基因豐度增加，表明微生物對(duì)惰性碳的分解能力增強(qiáng)。鑒于惰性碳在土壤碳庫(kù)中的占比較大（超過(guò)50%），這種原本難以降解的有機(jī)碳組分被微生物分解后可能會(huì)造成更多的碳釋放。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，底物屬性的變化是調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化的主要因素。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于典型凍土融化序列觀察到的微生物響應(yīng)規(guī)律是否具有普適性，研究人員在青藏高原典型凍土區(qū)開(kāi)展了大范圍凍土取樣工作（圖4），并結(jié)合基因芯片、高通量測(cè)序和室內(nèi)培養(yǎng)等方法在更大尺度上揭示了凍土融化后微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化，構(gòu)建了凍土融化引起的微生物多樣性變化與土壤碳釋放之間的耦聯(lián)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致細(xì)菌和真菌的α多樣性顯著下降，而功能基因α多樣性顯著增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致的土壤碳釋放主要取決于微生物功能多樣性，而與分類(lèi)多樣性無(wú)關(guān)（圖5）。
圖4 青藏高原凍土區(qū)樣點(diǎn)分布圖 （繪圖：房凱和陳永亮）
圖5 凍土融化引起的微生物多樣性變化及其與土壤碳釋放的關(guān)聯(lián) （繪圖：劉富庭）
上述研究結(jié)果提供了微生物群落結(jié)構(gòu)和功能響應(yīng)凍土融化的多尺度證據(jù)，拓展了學(xué)術(shù)界關(guān)于凍土融化對(duì)土壤微生物影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)，相關(guān)結(jié)果以?xún)善盗姓撐牡男问桨l(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Global Change Biology。劉富庭博士和陳永亮博士分別為兩篇論文的第一作者，楊元合研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究等項(xiàng)目的資助。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院植物研究所
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