凍土區(qū)土壤中的“微觀世界”

凍土是一種長期處于低溫環(huán)境并對(duì)氣候變化十分敏感的特殊土壤。由于低溫限制了土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解，導(dǎo)致凍土中儲(chǔ)存著大量有機(jī)碳。最新研究結(jié)果顯示，凍土區(qū)土壤碳儲(chǔ)量高達(dá)1.3萬億噸，約占全球土壤碳庫的一半以上。然而，這一重要碳庫目前卻受到了氣候變暖的嚴(yán)重威脅。特別是在“極地放大效應(yīng)”的作用下，凍土分布區(qū)的增溫速率達(dá)0.6℃/10年，約為全球平均增溫速率的兩倍。

快速的氣候變暖導(dǎo)致大面積凍土融化，進(jìn)而使得凍土中長期封存的有機(jī)碳被微生物分解，以CO2和CH4等溫室氣體的形式釋放至大氣中，最終會(huì)進(jìn)一步加劇氣候變暖。作為生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎，土壤微生物在調(diào)控凍土碳循環(huán)中起著重要作用。因此，認(rèn)識(shí)凍土區(qū)土壤微生物特征，揭開凍土區(qū)土壤中“微觀世界”的神秘面紗，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測凍土碳循環(huán)與氣候變暖之間的反饋關(guān)系至關(guān)重要。

為了探索凍土區(qū)土壤中的“微觀世界”，中國科學(xué)院植物研究所楊元合研究組依托在青藏高原祁連山凍土分布區(qū)建立的熱融塌陷觀測平臺(tái)，基于宏基因組測序、室內(nèi)培養(yǎng)和碳分解模型等多種手段，解析了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能沿凍土融化序列的變化及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

研究發(fā)現(xiàn)，熱融塌陷16年后，表層土壤微生物群落發(fā)生了明顯改變：細(xì)菌相對(duì)含量顯著增加，而古菌和真菌的相對(duì)含量顯著降低。并且，表征微生物碳分解活性的功能基因豐度也隨之改變，其中降解惰性碳組分的基因豐度增加，表明微生物對(duì)惰性碳的分解能力增強(qiáng)。鑒于惰性碳在土壤碳庫中的占比較大（超過50%），這種原本難以降解的有機(jī)碳組分被微生物分解后可能會(huì)造成更多的碳釋放。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，底物屬性的變化是調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化的主要因素。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于典型凍土融化序列觀察到的微生物響應(yīng)規(guī)律是否具有普適性，研究人員在青藏高原典型凍土區(qū)開展了大范圍凍土取樣工作，并結(jié)合基因芯片、高通量測序和室內(nèi)培養(yǎng)等方法在更大尺度上揭示了凍土融化后微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化，構(gòu)建了凍土融化引起的微生物多樣性變化與土壤碳釋放之間的耦聯(lián)關(guān)系。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致細(xì)菌和真菌的α多樣性顯著下降，而功能基因α多樣性顯著增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致的土壤碳釋放主要取決于微生物功能多樣性，而與分類多樣性無關(guān)。