编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读土壤微生物碳利用率（CUE）是生长和呼吸作用的综合指标，其对于气候变化的响应可能因土壤碳（C）的物理保护及其对微生物有效性的不同而不同。在马萨诸塞州中部的中纬度阔叶林中，27年的土壤变暖（+5°C）导致了土壤碳的流失以及土壤有机质质量的改变，但这其中的潜在机制目前尚不清楚。本研究中，我们假设长期变暖降低了有机质的物理团聚保护、微生物CUE及其对温度的敏感性。土壤根据其大小可分成大团聚体（250~2000 μm）和微团聚体（<250 μm）两个组分，我们分别在15°C和25°C条件下培养24h，通过测定土壤微生物碳利用率，我们发现，长期变暖降低了大团聚体中土壤C、N浓度以及胞外酶活性，但不影响SOM的物理保护作用。长期变暖由于同时降低了微生物生长和呼吸，因此对CUE或微生物生物量周转时间的影响不大。然而，与对照相比，增温后的大团聚体对CUE的温度敏感性较低。我们的发现表明，微生物对长期变暖的热响应主要发生在SOM受到较少物理保护的土壤隔间中，那里的SOM更容易受到微生物降解的影响。
原名：Soil aggregate-mediated microbial responses to long-term warming期刊：Soil Biology and Biochemistry通讯作者：Xiao Jun Allen Liu；KristenM. DeAngelis实验土壤样本于2017年10月采自于美国马萨诸塞州Petersham的Harvard Forest Long-Term Ecological Research （LTER）的一项土壤变暖研究的样地。自1991年以来，该试验区（6×6 m）的土壤通过处理使其温度至高于环境温度5°C，同时该研究以扰动控制区（除无处理外，与试验区相同）作为参考条件。土壤为沙壤土，pH=4.7，年平均降雨量108 cm，年平均气温为8°C。去除有机层后，每块样地采集2个土芯（直径5.0 cm，深度0~10 cm），整个研究共采集16个岩心（即2个处理*4个重复样地*每个样地2个土芯）。所采集的新鲜的土壤过2 mm筛，随后在105°C下烘干24小时，并立即测量土壤水分。通过测定土壤微团聚体（<250μm）、大团聚体（250~2000μm）和土壤有机质库（CPOM、fPOM、oPOM、MAOM）的相对丰度，我们评估土壤物理保护对长期气候变暖的响应。其中，块状土壤样品在受控条件下进行干燥（4°C），以达到一致的湿度，以促进可重复的团聚体破坏，并使对微生物群落的影响降至最低。将200g土壤样本（10%水分）放在250 μm的筛子上，以30次 min-1的速度水平摇动2分钟。随后储存于4°C下，用于后续土壤理化和微生物分析。剩余的聚集体部分保存在-20°C中，用于后续酶分析。1 长期变暖降低了底物的有效性和酶活性，但对SOM的物理保护无影响长期变暖降低了大团聚体中的土壤有机碳（SOC）和土壤氮含量，但对微团聚体中的SOC和土壤氮含量无显著影响（图1a）。升温降低了微团聚体中的可溶性有机碳（DOC）含量，此外我们还发现，DOC是预测长期变暖和团聚体大小的最佳预测因素（表1）。对于胞外酶活而言，水解酶活性随着长期升温而降低，但氧化酶活性几乎没有响应（图1b）。升温处理的大团聚体中酸性磷酸酶（AP）、β-葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖水解酶（CBH）和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）的活性相对于对照而言降低了70%以上（图1b）。气候变暖也降低了大团聚体中BG和CBH的特异性微生物活性。升温对过氧化物酶（PER）和酚氧化酶（POX）活性没有影响。此外，长期升温对团聚体大小分布的影响不大（图1a）。受保护的土壤有机质库（oPOM和MAOM）的相对土壤质量丰度不受气候变暖的影响，但升温处理降低了微团聚体中fPOM的相对丰度。虽然升温处理降低了fPOM中土壤C和N的浓度，但种降低效应被MAOM中土壤C和N浓度的升高所抵消。与大团聚体相比，微团聚体中MAOM含量以及沙土/黏土的比例更高，但cPOM的含量更低。此外，我们还发现，土壤大团聚体中的C、N主要来自于cPOM，而微团聚体中的C、N主要来自MAOM。表1 基于线性混合效应模型预测溶解有机碳（DOC）和微生物生理成分。
图1 土壤结构、基质有效性以及微生物对长期变暖的响应。a代表土壤团聚体，土壤C，土壤N以及C/N的相对丰度；b代表不同的胞外酶活性变化。MA代表大团聚体；MI代表小团聚体；AP、BG、CBH、NAG、PER以及POX分别代表酸性磷酸酶，β-葡萄糖苷酶，纤维水解酶，N-乙酰-葡萄糖苷酶，过氧化物酶和多酚氧化酶；*和**分别代表在0.05和0.01水平上具有显著性差异。
我们的研究发现，由于微生物的生长及呼吸同时受到升温处理的抑制，导致了微生物利用土壤有机质的效率对长期变暖几乎没有响应（图2）。长期变暖并不影响mass-specific呼吸、mass-specific生长或周转时间。我们发现，只有培养温度能够最好地对CUE进行预测，但对于CUE的组分而言（即生长和呼吸）却表现出不同的预测因子（表1）：长期变暖是生长的最佳预测因子，而长期变暖和培养温度两者是呼吸的最佳预测因子。此外，团聚体大小和培养温度是mass-specific呼吸的最佳预测因子。我们还发现，升温表现出具有降低微生物碳（MBC）和有机碳吸收的趋势，这其中，我们在微团聚体重更容易观察到MBC的这种降低趋势。再者，我们还发现，CUE与群体mass-specific呼吸呈显著负相关，与mass-specific生长呈弱正相关。图2 团聚体大小和培养温度介导了微生物对长期升温的响应。CUE代表C利用效率；Rm代表mass-specific呼吸；Gm代表mass-specific生长，*和**分别代表在0.05和0.01水平上具有显著性差异。
长期升温降低了微生物过程的温度敏感性，但对DOC浓度的温度敏感性无影响。与对照样地相比，由于呼吸对温度的敏感性降低，导致了升温处理后的大团聚体中CUE对温度的敏感性较低（表2）。升温也降低了mass-specific呼吸的温度敏感性，但对周转时间、有机碳摄取、DOC以及MBC的影响不大（表2）。对照样地中，微生物生理以及底物有效性对温度的敏感性在大团聚体和微团聚体之间存在显著差异。其中，CUE、周转时间、mass-specific生长以及DOC在大团聚体中的温度敏感度高于微团聚体，但在处理样地中（升温处理），大团聚体和微团聚体之间的微生物温度敏感性没有差异。表2 溶解有机碳（DOC）和微生物生理成分在慢性升温期间的温度敏感性。
微生物生理和底物利用率由不同的环境因素所驱动（图3a）。对于CUE而言，培养温度是最佳的预测因子（表1），其解释了50%以上的变异度（图3a）。微生物呼吸除了对长期变暖的响应比CUE更明显外，其与CUE表现出相似的驱动模式。培养温度和团聚体大小作为mass-specific呼吸的最佳预测因子，其解释了超过60%的变异度。长期变暖是预测生长的最佳预测因子，可以解释超过40%的变异度（图3a和表1）。周转时间是由团聚体大小和长期变暖共同驱动，同样这两个因素也是其最佳预测因素。尽管周转时间与MBC之间的相关性不强（r=0.27），但两者均可由长期升温和团聚体大小来解释（图3）。与CUE和呼吸作用更相似的是，生长与呼吸之间的比率主要受培养温度的影响。CUE温度敏感性的主要驱动因素是长期升温和团聚体大小（图3b）。呼吸和mass-specific呼吸的温度敏感性主要是由长期变暖驱动，而其他微生物活动（如生长、周转时间）和DOC是由团聚体大小所驱动（图3）。图3 可溶性有机碳（DOC）和微生物活性的变异度（a）以及不同环境因素驱动了两者对于温度的敏感性（b）。
本研究中，我们评估了温带森林近30年的变暖对土壤碳循环关键组分的影响，即对土壤有机质的物理保护的影响以及对微生物生长效率的影响。我们假设长期气候变暖会降低土壤的物理保护作用，但我们发现团聚体和密度组分的分布基本不变。与对照土壤相比，升温处理的土壤中SOC、土壤氮和酶活性的耗竭更严重，尤其是在土壤碳库更脆弱的大团聚体中，这种效果更为明显。我们还假设，气候变暖会降低微生物利用有机质的效率，同时减少了周转时间。但增温对CUE和周转时间没有影响，但同时降低了呼吸和生长（呼吸由长期变暖和培养温度所驱动，生长由长期变暖和团聚体大小所驱动）。最后，我们假设长期变暖会降低微生物生长效率的温度敏感性。通过研究我们发现，由于呼吸的温度敏感性降低，导致了CUE的温度敏感性随着长期变暖而降低，这种现象在大团聚体中表现的更为明显。
1 在微生物响应变暖期间，土壤结构影响微生物对底物利用的有效性在大团聚体中土壤基质受到的物理保护远不如微团聚体中所受到的保护，这使得长期变暖降低了土壤大团聚体中的C和N浓度。变暖还降低了DOC浓度，这验证了长期慢性变暖加速了微生物对不稳定碳的分解。与先前的研究一致，我们同样发现，长期变暖对土壤团聚体或SOM组分几乎没有影响。然而，气候变暖降低了fPOM中的有机碳和氮的含量，更倾向于增加了MAOM中的有机碳和氮的含量，其原因可能归因于以下几点：1、MAOM中微生物活性以及对底物的可获得性较低，因此减少了对SOM的降解；2、相比之下，未受保护的部分中的微生物可能获得更多的底物，并增加这些部分的碳损失；3、长期的变暖可能导致了大量的微生物残渣（necromass），这同样也能够增加MAOM中的C含量。我们的研究结果表明，大团聚体比微团聚体更容易受到攻击，导致70%以上的土壤C和N损失，这表明微团聚体保护的SOM库（如MAOM）在长期变暖的土壤C稳定方面起着至关重要的作用。由于底物有效性的降低，我们的结果表明了在长期变暖后的一种潜在的土壤碳和养分限制。随着长期变暖，氧化酶相对水解酶比率的增加，而NAG/AP比率的下降，恰恰验证了这一点，而这种变化在大团聚体中更为明显。有研究发现，在不稳定的SOM限制下，微生物在获取C时的竞争力低于其他营养物质，因此增加了降解复杂碳的潜力，并可能抵消微生物生物量的部分减少。相反，适应了土壤中低底物可用性的微生物增加了mass-specific糖苷酶活性。综上所述，这些结果证明了微生物随时间变化对气候变暖做出响应的动态本质。与对照土壤相比，从升温处理的土壤中获得的大团聚体中的CUE和呼吸对温度的敏感性较低，这可能与底物有效性的降低以及微生物生理和活动的调整、群落结构和功能的变化，甚至是微生物群落随着长期变暖而进行的热适应有关。另一方面，升温所导致的土壤干燥增加了底物限制，降低了微生物活性，这同样也可能降低微生物的温度敏感性。然而，我们在微聚集体中几乎没有发现微生物热反应的证据，这可能归因于SOM更强的物理保护，进而降低了微生物对底物的可利用性，以及微生物对长期变暖的热响应。在对照土壤样本中，与大团聚体相比，由于更好的物理保护导致了微团聚体中的CUE和呼吸对温度的敏感度较低（表2），这种保护效果阻碍了微生物对底物利用的吸附和解吸过程。微团聚体中的DOC浓度也相对较高，这会降低微生物胞外酶的产生。此外，微团聚体中较低的温度敏感度也可能与更多样化的生态位和更丰富的寡养型微生物有关。CUE作为联系微生物生长与土壤碳流失的指标，其随着长期变暖而降低的生长和呼吸表明，微生物对大气中土壤碳流失的自我强化反馈是有限的。该地区的长期气候变暖导致了土壤碳流失的一种非线性模式，这种土壤碳的衰变阶段能够被微生物群落结构的变化所打断。土壤微生物呼吸占地下呼吸总量的80%以上，土壤变暖后微生物生物量、活性和底物有效性受到持续抑制。这与先前的研究相似。长期变暖会增加微生物在微团聚体中的周转时间，但不会增加大团聚体中的微生物周转时间。其中，微团聚体较长的周转时间归因于变暖所导致的包括捕食者和食草动物活动的减少，从而减少了细胞死亡。此外，更长的周转时间也可能归因于休眠细胞所占比例的增加。虽然较长的周转时间可能会减少necromass的形成，从而导致土壤有机质库的枯竭，但它也可以减少土壤有机质的降解和土壤碳的流失。我们的发现表明，微生物周转受到土壤物理保护（即团聚体大小）以及底物有效性和微生物群落相关变化的调节。微生物CUE和周转时间受不同的环境因素所驱动，这表明微生物在长期变暖过程中具有不同的代谢分配策略和热响应。由于短期培养过程中迅速增加的呼吸，但是对生长的影响不大，因此培养温度主要驱动了CUE的变化。然而，由于长期升温导致了土壤呼吸和生长的同时降低，这使得长期变暖并不是CUE的主要驱动因素。由于团聚体驱动了不同的微生物群落，功能组分以及捕食压力和死亡率，因此团聚体大小是周转时间的主要驱动因素。CUE和周转时间的温度敏感性的环境驱动因素也具有差异。CUE的温度敏感性是由长期升温和团聚体大小驱动的，而周转时间的温度敏感性主要是由团聚体大小驱动的，这表明物理保护在调节长期气候变暖的微生物适应中起到关键的作用。5 土壤团聚体的分离以及储存方式对微生物参数的影响与块状土壤相比，对土壤基质进行深层次上的研究，可以在长期变暖过程中，为利用不同SOM库的微生物活动和微生物群落提供更多机制上的见解。我们选择将新鲜土壤在低温（4°C）条件下干燥至最佳水分（~10%），然后进行团聚体分离（干筛），以减少对微生物参数的干扰，并便于团聚体分离过程。这种最佳的干湿筛方法比湿筛有更多的优点，湿筛有更剧烈的干湿循环，会显著干扰微生物的活动和酶的产生。由于所有的升温处理和团聚体处理都采用相同的培养条件，因此本研究所有结果均具有可比性。土壤团聚体的储存时间和冻融过程可能会影响微生物酶的活性。我们的团聚体样品被分离并冷冻在−20°C下，储存约8个月，并在室温条件下，在进行酶分析之前对样本进行称重。由于大多数土壤酶都属于胞外酶活，所以我们的研究与其他研究方法相似，即假设冻存对酶活的影响较小且在不同处理之间保持一致。近30年的气候变暖降低了微生物生长和呼吸，并降低了微生物对底物的利用率和微生物代谢酶的活性，这种效果在大团聚体中尤为明显。相比之下，微生物CUE和生物量周转时间变化不大。我们发现，与对照相比，升温后的大团聚体中的CUE和呼吸对温度的敏感性降低，这表明微生物的热响应随着个体SOC稳定过程的共同变化。我们的研究表明，土壤有机质更容易在物理保护较少的土壤隔间中被微生物降解（即大团聚体），在这些大团聚体中，微生物在长期变暖过程中对温度表现的更加敏感。
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