土壤呼吸是陸地生態係統與大氣之間最大的CO2通量，在全球碳循環中扮演重要角色，其主要包括自氧呼吸（主要來自植物根係呼吸）和異氧呼吸（主要來自土壤微生物呼吸）兩部分。土壤微生物呼吸，即土壤微生物分解土壤有機碳時所釋放的CO2，約占土壤總呼吸的60%，其微小變化將會對大氣CO2濃度產生顯著影響。溫度是影響土壤微生物呼吸的重要環境因子，溫度升高微生物呼吸通常增強，對全球變暖形成正反饋效應。近年來，越來越多的實驗表明，隨著增溫時間的推進，溫度對微生物呼吸的促進作用會削弱，並認為這是由於微生物的熱適應現象導致。
以往對土壤微生物熱適應的研究中，通常會通過添加過量的易分解碳（如葡萄糖）以排除底物限製對微生物呼吸的影響，使得以往的研究結果通常反映以易分解碳為底物的微生物群落（如富營養型微生物）熱適應。土壤有機碳組成複雜，並且大部分（通常>90%）以難分解碳的形式存在。微生物分解不同可分解性碳過程是否持續存在熱適應現象，換言之，微生物分解難分解碳過程是否存在熱適應？這一問題尚未解決。
為回答這一問題，本研究采集了兩種典型生態係統（自然林和農田）土壤，在不同溫度（10、20和30°C）開展了6年的長期培養實驗，使得土壤微生物分解過程從以易分解碳為主到以難分解碳為主轉變，並定期在三個短期測試溫度（10、20和30°C）測定土壤微生物呼吸速率。本研究主要通過單位微生物呼吸速率（Rmass，microbial respiration rate per unit microbial biomass）反映土壤微生物呼吸熱適應；若熱適應存在，在相同的短期測試溫度下，長期培養溫度越高Rmass越低。
本研究發現，不管是自然土壤還是受人工幹擾土壤，在相同的短期測試溫度下，較高的長期培養溫度下Rmass均小於較低的長期培養溫度，並且這一現象在整個長期培養過程中持續存在（圖1）。
▲圖1 | 不同長期培養溫度下單位微生物呼吸速率（Rmass）。
通過分析礦物保護、底物質量、微生物特征等土壤微生物呼吸可能的影響因子，本研究進一步探究了土壤微生物熱適應的機製。結果表明，土壤微生物熱適應主要受微生物群落的生活史策略調控，並且不同長期培養溫度下Rmass差異與微生物寡營養型：富營養型比例表現出正相關關係（圖2）。
▲圖2 | 土壤pH、礦物保護、底物質量和微生物特征因子對單位微生物呼吸速率（Rmass）的調控作用。
綜上，本研究發現，土壤微生物呼吸在長期土壤碳分解過程均表現出熱適應現象，拓展了以往的易分解碳分解過程的熱適應現象，揭示了微生物在難分解碳分解過程也存在熱適應。本研究結果表明，土壤微生物呼吸對溫度變化的生理反應可能是屬於不同功能群（富營養型vs寡營養型）微生物的共同特征。如果土壤微生物分解難分解碳的熱適應現象在野外係統普遍存在，氣候變暖對土壤碳損失的刺激作用可能比當前預測的要小。
万博英超狼队网官方网 李金全青年研究員為論文第一作者、聶明教授為論文通訊作者。本研究受到國家自然科學基金重大研究計劃和青年項目、上海市基礎特區研究計劃、上海市自然科學基金等項目的資助。
論文信息
標題：Thermal adaptation of microbial respiration persists throughout long-term soil carbon decomposition
期刊：Ecology Letters
類型：Letter
作者：李金全, 裴俊敏, 方長明, 李博, & 聶明*
時間：2023-08-17
DOI ：https://doi.org/10.1111/ele.14296