一项为期35年的实验！Nature子刊（IF=29.6）研究揭示植物-微生物相互作用助力土壤碳恢复的机制
学术
2024-10-06 16:14
法国
通过扩展世界上持续时间最长的生态系统操纵实验之一，美国科罗拉多州立大学Matthew Wallenstein的研究团队发现，在实验开始的前20年观察到的北极土壤碳损失是暂时的。2024年10月3日，国际权威学术期刊Nature Climate Change发表了他们题为Arctic soil carbon trajectories shaped by plant–microbe interactions的研究论文。他们提供的证据表明，北极土壤碳平衡依赖于复杂的植物-微生物相互作用，这些相互作用可能需要数十年才能显现。![]()
北极土壤储存的碳量是大气中的两倍，使其成为关键的陆地碳汇。然而，高纬度系统的变暖速度可能是全球平均水平的四倍。随着温度对生物过程限制的减少，更快的微生物分解速率可能会加速土壤有机碳（SOC）库存向二氧化碳的转化，超出由于植物生产力提高而获得的碳增量，导致大量的净碳排放到大气中。随着温度的升高，北极碳循环变化的方向和规模可能取决于生物对土壤养分可用性变化的响应，后者限制了植物生产力和微生物分解。例如，高纬度生态系统中灌木生产力的增加与气候变化有关。植物生产力的提高可能会引发一个正向启动效应级联，其中新的富含碳的植物输入（如落叶、根系和根系分泌物）会促进现有SOC库存的微生物分解以获取有限资源。在北极环境中，氮素的可利用性通常限制着微生物活动和植物生产力；因此，更快的微生物和植物生长可能会加剧这些限制。增强的土壤养分可利用性的长期效应对于北极生态系统碳平衡仍然不清楚。![]()
位于阿拉斯加北极苔原的实验场地
1981年，在阿拉斯加州北部Toolik湖长期生态研究（LTER）站点建立了实验地块，以测试持续性干扰——如持久的营养添加，据理论认为会改变生态系统的结构和功能：如何影响苔原植被的生产力。经过20年的连续氮肥施用后，该研究确定了SOC的巨大损失，这些损失没有被净初级生产力的增加或从多样化植物群落转变为几乎完全由小灌木组成的群落所抵消。15年后，研究人员重新采样了相同的地块，以评估在第20年至第35年实验施肥期间SOC损失轨迹是否发生了变化。通过实验室同位素追踪实验，研究人员还测试了植物群落组成的变化是否会影响SOC的形成和持久性。研究人员发现，在实验开始的前20年记录的初始SOC损失是暂时的；在第20年至第35年实验期间，施肥地块的SOC库存恢复至甚至超过了对照地块（图1a），土壤氮库存也相应变化（图1b）。由于土壤物理性质的长期变化无法解释SOC的恢复，研究人员使用同位素追踪实验探讨了潜在的生物机制。研究人员发现，微生物启动可能是造成施肥头20年观察到的SOC损失的原因；换句话说，土壤中氮素的添加使微生物群落能够投资于产生细胞外酶，催化SOC的快速周转。然而，在施肥35年后，SOC损失完全被灌木扩张所逆转，这促进了越来越有效的碳-氮经济。在第二阶段（20-35年的实验期间），土壤养分可利用性的增加促进了灌木扩张，缓解了微生物氮素限制，但加强了碳限制，减少了微生物分解率，使SOC库存逐渐重建。研究人员的野外和实验室培养结果结合表明，正向启动效应级联不会长期持续，挑战了先前的研究发现和下一代土壤碳模型的基本原则。![]()
长期施肥对土壤碳和氮库存的影响是暂时的
生态系统对全球变化的响应强烈受到缓慢过程的调控，这些过程可能需要几十年才能显现，并且难以预测。然而，大多数全球变化实验只持续几年，限制了用于预测复杂陆地-气候反馈的全球模型的参数化和约束能力。研究人员显示，对养分干扰的短期响应，如微生物启动和SOC的快速周转，可能不会长期持续。相反，SOC对持续养分干扰的响应似乎取决于化学计量学限制（例如，微生物氮需求与植物碳和氮输入之间的关系）和生态系统组成部分之间的相互作用。确定研究人员在研究中展示的从短期到长期的机制反馈是否广泛可预测，是未来研究尚未解决的挑战，这突出了在更长时间尺度和不同地区测试生态理论的重要性。![]()
