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土壤冻融过程作为气候变化的敏感指示器，是由于昼夜或季节热量变化在表土及以下一定深度形成的反复冻结和融化的过程，其在高海拔和高纬度冻土区极为常见。过去几十年来，受气候变暖影响，冻融格局已发生剧烈变化，显著影响土壤生态系统结构与功能。然而，以往研究集中于室内模拟实验，但原位观测研究的报道很少。为此，中国科学院西北生态环境资源研究院科研团队以疏勒河源冰冻圈与生态环境综合监测研究站多年冻土区高寒草甸生态系统长期定位综合观测场为研究对象，并结合自主研发的冻融强度新算法和“一种气筒式土壤剖面气体采集器”装置开展研究。研究发现，活动层微生物群落稳定性在冻融阶段（包括融化过程期和冻结过程期）相较于非冻融阶段（含完全融化期和完全冻结期）更高，表现出更低的网络复杂性和更高的鲁棒性（图1）以及更多的核心类群。此外，微生物多样性与土壤多功能性的关系仅在冻融阶段呈现显著正相关（图2），且这种关系主要受微生物稳定性所驱动（图3）。值得关注的是，尽管冻融强度增大会显著加剧温室效应，但因微生物多样性-土壤多功能性关系的加强而被缓解（图3）。该研究揭示了季节冻融过程下微生物介导的土壤多功能性变化机制，为多年冻土温室气体排放的微生物调控提供了新见解，也为未来变暖情景下冻融格局变化所带来的生态后果预测打下了基础。研究成果于2024年10月10日以Freeze-thaw strength increases microbial stability to enhance diversity-soil multifunctionality relationship为题在线发表于Nature旗下期刊Communications Earth & Environment。兰州大学、西北农林科技大学、云南大学和青岛华大基因研究院共同参与了该项工作。该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院“西部之光”交叉团队项目和国家自然科学基金项目等联合资助。
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图1 微生物群落共现网络及稳定性
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图2 微生物多样性与土壤多功能性的关系
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图3 微生物稳定性、多样性-土壤多功能性关系及温室效应之间的关联
https://www.nature.com/articles/s43247-024-01765-1
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