土壤是人类农业生产的基础和生产基地，为植物提供生长所必需的物理支撑、水分、空气以及营养元素，是农作物生长发育的基质；土壤是生态系统的重要组成部分，包括生产者（植物，藻类细菌）、消费者（土壤中的各种动物）和分解者（大量的微生物），共同构成土壤生态系统。土壤也是地球绿地的成分和源头，健康的土壤促进气候调节和水资源管理，健康的土壤是地球上最大的碳库。土壤通过其有机质的积累和分解过程可以吸收并储存大量的碳，有助于减缓温室效应。而土壤有机碳（SOC）是健康土壤的基本构成和可再生资源，为诸如食物和纤维生产、气候和水资源循环、土壤肥力恢复及生物多样性保护提供必需碳元素和基本物质。作为一种主要的碳库，土壤中的碳含量超过了大气和陆地植被中的总和，在气候变化背景下，即使土壤中有机碳的微小损失也会对大气CO₂浓度产生显著影响。SOC的复杂性体现在它由多种源自植物和微生物降解的生物分子组成。土壤微生物多样性丰富，复杂的微生物群落对土壤-气候反馈有着重要的贡献。最具多样性的土壤微生物能够适应不断变化的环境条件，这归功于它们短暂的世代周期、庞大的种群数量以及高突变率。虽然土壤微生物群落具有广泛的温度适应范围，但不同类型的微生物的最佳生长温度各不相同。根据适宜的生长温度范围，微生物可以分为嗜冷型（<20°C）、嗜温型（<45°C）和嗜热型（>100°C）。然而，温度响应型微生物对SOC分解在气候变化背景下的影响仍然不清楚。由于升温导致的土壤微生物群落扰动可能会通过增加微生物的呼吸和生长来加速有机物的分解，从而可能对气候变化产生正反馈机制。尽管已经强调了微生物多样性在较温暖条件下对碳循环的重要性，但对于微生物生长和代谢过程的温度敏感性仍存在争议。全面的分析对于阐明温度、微生物生理过程和土壤碳变化之间的相互作用是必要的。
2024年6月24日，中国科学院南京土壤研究所梁玉婷研究员团队在《Global Change Biology》（IF=10.8）在线发表了一篇题为“Intrinsic microbial temperature sensitivity and soil organic carbon decomposition in response to climate change”的研究论文，本成果揭示了气候变化下微生物温度敏感性与土壤有机碳分解之间的内在关联。
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研究人员使用Accu16S 细菌绝对定量测序技术、固态13C 交叉极化/魔角旋转核磁共振波谱技术(13C CP/MAS NMR)对跨越我国 4000 公里范围内不同温度梯度下（8、15、20、25 和 35°C）下的各种水稻土的土壤微生物、有机碳组成进行了精细尺度分析，并描述了相应微生物生长和生理学。研究结果表明，变暖改变了有机物的组成，导致从湿润亚热带地区到湿润大陆地区的碳水化合物减少了约 0.026% 至 0.030%。这些变化归因于嗜冷细菌比例的减少，从而导致土壤碳的大量损失。因此，短期变暖会通过嗜冷细菌的多样性影响 SOC 分解通过增强微生物的生长和呼吸。
地点选择：选取了中国13个地区共39个水稻田的429份土壤样本，覆盖纬度从北纬19.72°至北纬47.82°，经度从东经110.01°至东经126.97°。土壤类型：样本代表了五种不同的土壤类型：中性黑土、碱性灰钙土、潴育型水稻土、酸性红土和淹育型水稻土。作物轮作系统：研究涵盖了四种不同的作物轮作系统：单一稻作、稻麦轮作、双季稻和三季稻。气候分区：研究区域跨越了两个主要气候带：湿润亚热带气候和大陆性气候。采样方法：在每个地点建立了三个独立的100米×100米地块，使用“L”形设计进行采样。温度处理：在五个不同的温度梯度下进行了土壤样本的培养（8°C、15°C、20°C、25°C 和 35°C）并检测二氧化碳（CO₂）排放。固态13C 交叉极化/魔角旋转核磁共振波谱技术：对各个化学位移区域进行量化，以确定不同类型的碳组分（如烷基C、甲氧基C、O-烷基C等）的相对丰度。使用分子混合模型估计六种主要SOC成分的相对丰度，包括碳水化合物、蛋白质、木质素、脂质、羰基化合物和焦炭。微生物生长和生理特征：使用自动化微生物生长曲线分析系统来评估微生物的生长情况。微生物绝对定量技术检测和分析：通过Accu16S 细菌绝对定量测序技术进行样本质量检测、目的区域预扩增添加spike-in DNA、16S rRNA V4-V5区域扩增子文库构建与质检、样本上机测序以及环境因子相关性分析【该实验在Genesky Biotechnologies Inc., Shanghai, China上海天昊生物科技有限公司完成】
为了验证土壤碳损失对短期升温的敏感性，团队进行了土壤微生态实验，并使用固态13C交叉极化魔角旋转核磁共振光谱法分析了SOC的分子组成。团队的结果揭示了SOC分子组成发生了显著变化。分析显示，由于升温导致O-烷基C的丰度下降，而烷基C的丰度上升，而其他五种有机物质组分—甲氧基C、二-O-烷基C、芳基C和O-芳基C—在升高温度的影响下没有表现出显著变化。此外，SOC的分解程度在湿润大陆性气候区大于湿润亚热带气候区。这是因为相比湿润亚热带气候区，在湿润大陆性气候区的土壤中，烷基C的增加和O-烷基C的减少幅度更大。![]()
图1 气候变暖对碳分子和土壤细菌的影响
随后，团队使用分子混合模型来评估基于所有样本的土壤有机物质分子成分的变化。结果显示，温度升高导致湿润大陆性气候区土壤中的碳水化合物含量减少了0.026%，以及湿润亚热带气候区土壤中的碳水化合物含量减少了0.030%（图1a）。相反，在湿润大陆性气候区的土壤中，脂类增加了0.039%，这比湿润亚热带气候区土壤中脂类的增加0.027%要大（图1a）。此外，升温还导致湿润亚热带地区的土壤中蛋白质含量的减少。分子混合模型表明，升温导致了SOC分子组成的改变。此外，在湿润大陆性气候区与湿润亚热带气候区之间观察到了显著差异。
鉴于微生物在生物化学循环中的作用，团队假设土壤碳损失与土壤微生物群落对升温的响应有关。为了探讨土壤微生物的温度敏感性，团队使用TITAN方法将土壤微生物分类为冷偏好型和暖偏好型（图1b）。结果显示，在湿润大陆性气候区域，冷偏好型细菌的比例（2%）高于湿润亚热带气候区域。升温对温度敏感微生物的组成产生了明显的影响，表现为湿润大陆性气候区域冷偏好型微生物的绝对丰度减少（0.0136%~0.0396%），而在湿润亚热带气候区域，暖偏好型细菌的绝对丰度增加（0.0140%~0.0334%）（见图2）。表现出较高温度敏感性的物种主要属于拟杆菌门和厚壁菌门。正如预期的那样，升温对冷偏好型细菌的多样性产生了显著的负面影响（图3a）。
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图2 气候变暖对温度敏感细菌的影响
这些发现表明，升温导致冷偏好型细菌的丰富度和多样性显著下降，尤其是在湿润大陆性气候区域。团队对土壤微生物群落生长的生理特性进行的实验研究证实，湿润大陆性气候区域的微生物更容易受到温度升高的影响。随着温度的升高，土壤呼吸速率和最大生长率呈现指数增长的趋势，而细菌的代时和迟滞期时间则表现出相反的趋势。升温对土壤呼吸的影响在湿润大陆性气候区域比湿润亚热带气候区域更为强烈，而微生物生长在低纬度地区表现出了更大的影响（图3a）。团队还观察到冷偏好型细菌多样性与土壤呼吸之间存在负相关。
3. 气候变暖影响微生物生长和呼吸造成SOC分解和损失
团队进一步评估了由升温引起的微生物活动变化是否会影响土壤碳损失。结果显示微生物生长与SOC组成之间存在着强烈的联系，特别是碳水化合物和脂类（图3b）。此外，团队观察到仅在湿润大陆性气候区域，土壤呼吸与脂类之间存在正相关（图3b）。团队计算了微生物呼吸和生长的温度敏感性（Q10）。与团队之前的发现一致，湿润大陆性气候区域的土壤对土壤呼吸具有较高的温度敏感性，但对于微生物生长的温度敏感性较低，相比湿润亚热带气候区域的土壤。SOC对升温的响应主要是由微生物生长和呼吸的敏感性驱动的。
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图3 环境变量与碳分子之间的相关性
为了进一步探讨湿润大陆性气候与湿润亚热带气候土壤中土壤碳损失的驱动因素，团队使用了假设的关系进行了SEM（结构方程模型）分析。团队的结果显示，升温对冷偏好型细菌的多样性产生了负面影响，而对于暖偏好型细菌没有观测到升温效应（图4）。此外，湿润大陆性气候区域土壤微生物生长和呼吸的Q10与冷偏好型细菌的多样性呈负相关（图4a）。这些发现表明气候变暖导致湿润大陆性气候区域土壤中冷偏好型细菌多样性的减少，进而导致土壤微生物生长和呼吸的Q10发生变化，这是促进土壤碳损失的主要因素。相比之下，在湿润亚热带气候区域，冷偏好型细菌多样性与土壤微生物生长和呼吸的Q10之间存在显著的正相关（图4b）。此外，团队的结果表明，在湿润亚热带区域，土壤碳损失主要受土壤呼吸的Q10调控。这些发现表明，在湿润大陆性气候区域，冷偏好型细菌多样性在调节SOC分解方面起着主导作用，而在湿润亚热带区域，土壤碳损失主要由微生物生长的Q10驱动。这可能归因于这些区域微生物对温度变化的长期适应性。
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图4 基于结构方程模型的碳损失环境驱动因素
【1】本研究通过使用微生物群落的绝对定量技术检测16S rRNA V4-V5区域扩增测序进行不同纬度、经度土壤样本检测，发现大气温度升高导致冷偏好型细菌的丰富度和多样性显著下降，尤其是在湿润大陆性气候区域。【2】研究发现气候温度升高显著影响土壤有机碳组分，温度升高导致湿润大陆性气候区土壤中的碳水化合物含量减少了0.026%，以及湿润亚热带气候区土壤中的碳水化合物含量减少了0.030%。【3】研究团队通过构建SEM（结构方程模型）分析发现，温度升高减少了冷偏好型细菌的多样性，导致土壤微生物呼吸速率、最大生长率呈现指数增长的趋势以及Q10发生变化。最终加速土壤碳损失造成土壤生态位功能紊乱，通过影响食物链和舞蝶效应改变生态环境整体长期的变化最终影响人类健康。总之，这项研究揭示了气候变化对土壤碳循环的影响机制，强调了微生物在这一过程中扮演的关键角色，而准确真实数据的产出是整个课题研究的源头保证，更加凸显Accu16S 细菌绝对定量测序技术的重要性和必要性。同时，本研究发现土壤微生物固有的温度敏感性在影响土壤碳与气候反馈关系中的作用，为了解微生物活动所面临的温度限制及其对土壤碳-气候反馈的影响提供了启示。更加有助于理解全球变暖背景下土壤碳存储的稳定基石作用，从而为我国乃至全球不同国家制定相应的“碳排放”、“新能源政策”、“温度管理”策略提供科学依据。
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