邓蕾研究员最新GCB成果||植被恢复过程中土壤有机碳增加而微生物碳利用效率降低

文摘   2024-12-13 07:51   广东  

来源:生态环境学家(2024年12月12日)


微生物碳利用效率(CUE)描述了微生物用于合成代谢过程的有机碳比例,在全球范围内,该比例随着土壤有机碳(SOC)含量的增加而增加。然而,尚不清楚陆地生态系统的自然植被恢复过程中是否存在类似的关系。本研整合了实地研究和相关文献的数据集,包括中国西北地区的实地采样和92个农田转变为草地、灌木丛和森林的配对观测,使用化学计量模型计算CUE,并使用空间替代时间的方法研究了植被恢复过程中CUESOC含量之间的关系。此外,为了确定CUE的驱动因素,评估了CUE与气候、土壤、植物和微生物变量的关系。该研究提出假设:(1)在植被恢复过程中,SOC含量随着CUE而增加,因为高CUE会增加通过微生物碳代谢进行的生物合成,从而导致更多的微生物残体积累,进而促进土壤碳的形成和(2pH是决定CUE的最重要因素,因为它强烈影响微生物代谢。研究结果表明,植被恢复使CUE0.35降低到0.28。令人惊讶的是,在植被恢复过程中,SOC含量随着CUE的降低而增加,因为与早期生态系统相比,森林土壤的pH值较低,微生物磷限制较高,这意味着顶级森林可能不会像预期的那样吸收那么多的土壤碳与气候、植物和微生物因素相比,土壤pH的变化是CUE最重要的预测因素。CUE的变化是由土壤pH值直接诱导的,而不是由pH值诱导的微生物群落引起的,碱性土壤酸化往往会降低CUE该研究是首次大规模估计自然恢复过程中CUESOC之间的关系,强调需要加强成熟森林的碳汇管理,以维持其碳封存潜力。

FIGURE 1| Effect of vegetation restoration on microbial carbon use efficiency (CUE) on a local scale. (a) CUE and soil organic carbon (SOC) content along with vegetation restoration. (b) Regression analysis for CUE and SOC content. The solid lines indicate the linear regression (p<0.05), and the gray areas represent the 95% confidence intervals.

FIGURE 2| Key factors affecting microbial carbon use efficiency (CUE) during vegetation restoration on a local scale. (a) Relative importance analysis predicts the importance of biotic and abiotic factors to changes in CUE. (b-g) Relationships between CUE and biotic and abiotic factors. *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001. Solid lines indicate linear regression (p<0.05), and gray areas represent the 95% confidence intervals. BChao1, bacterial Chao 1 index; BD, soil bulk density; BNMDS1, bacterial communities; BSha, bacterial Shannon index; EO:H, oxidative: hydrolytic enzymes ratio; FB, fine root biomass; FC, fine root carbon content; FChao1, fungal Chao 1 index; FNMDS1, fungal communities; FSha, fungal Shannon index; LB, litter biomass; LC, litter carbon content.

FIGURE 3| Drivers of microbial carbon use efficiency (CUE) on a local scale. (a) Partial least squares path modeling showing cascading relationships of ecosystem type, soil properties, plant input properties, microbial properties, and microbial CUE. The red and blue arrows indicate positive and negative effects (p<0.05), respectively. The gray arrows indicate lack of significant effects (p>0.05). The numbers on the arrows represent standardized path coefficients. The width of the arrows is proportional to the strength of the path coefficients.R2indicates the proportion of variance explained. Models were assessed by a goodness-of-fit statistic. (b) Total effects of variables on CUE. EO:H, oxidative: hydrolytic enzyme ratio; FB, fine root biomass; LB, litter biomass.

FIGURE 4| Soil microbial carbon use efficiency (CUE) during vegetation restoration according to the meta-analysis. (a) Sampling locations included field sampling and meta-analysis. (b) The relationships between CUE and soil organic carbon (SOC). The black lines indicate model fit between CUE and SOC, while the gray areas are the 95% confidence intervals of these models. (c) Partial least squares path model showing the influence of abiotic and biotic factors on CUE along a vegetation restoration. The red and blue arrows indicate positive and negative effects (p<0.05), respectively. The gray arrows indicate the lack of significant effects (p>0.05). The numbers on the arrows represent standardized path coefficients. The width of the arrows is proportional to the strength of the path coefficients.R2indicates the proportion of variance explained. Models were assessed by a goodness-of-fit statistics. (d) Total effects of variables on CUE. (e) Relationship between soil pH and CUE. MAP, mean annual precipitation; MAT, mean annual temperature; MBC, microbial biomass carbon; MBN, microbial biomass nitrogen. Map lines delineate study areas and do not necessarily depict accepted national boundaries.

FIGURE 5| Conceptual model of microbial carbon use efficiency (CUE) during natural vegetation restoration from farmland to forest. In the farmland stage, high soil pH and low plant litter prevent SOC from being easily decomposed by the priming effect. Additionally, high fungal diversity and sufficient nutrient availability lead to high CUE. In the forest stage, neutral pH and high plant litter make SOC more susceptible to decomposition through the priming effect (Wang and Kuzyakov 2024b). Concomitant low fungal diversity and severe P limitations lead to a decrease in CUE, despite the soil having a high SOC content. This conceptual diagram indicates an inconsistency between SOC content and CUE in natural ecosystems.


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