摘 要：

全球變暖和干旱加劇預(yù)計(jì)將改變土壤團(tuán)聚體、生物群落組成和碳( C )平衡。微生物碳源，如微生物殘?bào)w碳 ( MNC )和球囊霉素相關(guān)土壤蛋白( GRSP )，對土壤有機(jī)碳( SOC )的穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，關(guān)于氣候變化如何影響土壤團(tuán)聚體中微生物衍生碳及其對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)知之甚少。因此，本研究了4年增溫（約 0.68 ° C）和降水減少（約50 %和25 %）對半干旱次生草地土壤GRSP和MNC濃度的影響，并將這些結(jié)果與GRSP的meta分析相結(jié)合。結(jié)果表明，增溫增加了MNC及其對SOC的貢獻(xiàn)，而降水減少降低了MNC濃度。令人驚訝的是，降水減少增加了GRSP濃度及其對SOC的貢獻(xiàn)。田間試驗(yàn)和meta分析也表明，土壤有機(jī)碳和全氮與GRSP的碳貢獻(xiàn)呈負(fù)相關(guān)。鑒于GRSP的化學(xué)抗性，這一結(jié)果可能意味著降水減少下C和N含量的降低刺激了GRSP的形成，以增強(qiáng)其對SOC庫的后續(xù)保護(hù)。從機(jī)制上講，土壤生物組成及其相互作用主導(dǎo)了團(tuán)聚體間MNC的變化和氣候變化情景。微團(tuán)聚體中最高的MNC濃度可能歸因于更高的真菌多樣性、更穩(wěn)定的多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)和更弱的營養(yǎng)水平之間的負(fù)相互作用。此外，降水減少顯著增加了與SOC和MNC降解相關(guān)的多營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)中的模塊豐度，這些模塊與GRSP積累呈正相關(guān)。這些結(jié)果表明，氣候變化可能通過改變土壤團(tuán)聚體中的微食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)SOC動(dòng)態(tài)。本研究對預(yù)測未來氣候情景下SOC組分的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性具有直接意義。

研究背景：

氣候變化和降水格局的改變預(yù)計(jì)將強(qiáng)烈影響全球干旱模式，并觸發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，特別是在干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)中。土壤碳庫的穩(wěn)定性是干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)，其對氣候變暖和土壤干燥的響應(yīng)將推動(dòng)土地-氣候反饋，這將影響未來氣候變化的軌跡。地下生物是推動(dòng)碳循環(huán)和營養(yǎng)轉(zhuǎn)化的主要引擎；因此，理解土壤生物介導(dǎo)的碳動(dòng)態(tài)對氣候因素的響應(yīng)對全球碳平衡和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

微生物合成作用是土壤有機(jī)碳（SOC）形成和持久性的核心，即土壤微生物將植物衍生的碳轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞成分和副產(chǎn)品，從而形成SOC并通過細(xì)胞生成、生長和死亡的迭代過程調(diào)節(jié)其穩(wěn)定性。兩種微生物衍生的代謝物，氨基糖和球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（GRSP），已被確定為土壤穩(wěn)定碳庫的重要貢獻(xiàn)者。氨基糖主要來自死亡微生物的細(xì)胞壁溶解，通常用作生物標(biāo)志物來量化微生物殘?bào)w碳（MNC）對SOC積累的貢獻(xiàn)。定量研究表明，MNC對全球草原表層土壤中總SOC的貢獻(xiàn)比例從23%到74%不等，這比其在農(nóng)業(yè)和溫帶森林土壤中的貢獻(xiàn)要大。GRSP最初被認(rèn)為是由叢枝菌根真菌（AMF）產(chǎn)生的微生物產(chǎn)物，其特征是疏水性、粘性和難以降解的糖蛋白。最近的研究重新審視了這種糖蛋白的起源，提出它是一個(gè)由各種蛋白質(zhì)（以及各種脂質(zhì)和酚類化合物）組成的聯(lián)合體，包括菌根和非菌根來源（例如，一些嗜熱細(xì)菌）。盡管如此，GRSP在植物和土壤健康方面的好處是公認(rèn)的，特別是在非生物環(huán)境壓力下。例如，GRSP通過增加土壤表面的疏水性來降低土壤的滲透性，從而減緩水和碳的流失，尤其是在干旱條件下。此外，GRSP可能通過增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體來保護(hù)土壤有機(jī)物免受快速降解。在氣候變化情景下，改變的溫度和濕度可能通過直接或間接影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、植物生長和碳輸入、微生物活性和組成、胞外酶活性和免疫反應(yīng)激活，從而反饋到SOC庫中。一些新興研究已經(jīng)探索了變暖或干旱對微生物衍生碳的影響；然而，結(jié)果并不一致，高度依賴于具體情況。因此，需要更好的機(jī)制理解來解決微生物衍生碳對氣候變化響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，特別是在具有異質(zhì)性微棲息地的團(tuán)聚體中。 

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本方面，它們的物理保護(hù)和有機(jī)-礦物結(jié)合被認(rèn)為是穩(wěn)定SOC庫的關(guān)鍵。通常，大團(tuán)聚體包含更多最近輸入的相對活躍和易分解的碳，來自植物殘?bào)w和真菌菌絲，而微團(tuán)聚體主要由難以降解的SOC組成，這些SOC與多價(jià)金屬陽離子和多糖聚合物、腐殖質(zhì)或有機(jī)碎片結(jié)合。與相對脆弱的大團(tuán)聚體相比，微團(tuán)聚體由于孔隙度較低以及更高的礦物結(jié)合（例如，吸附）和螯合，為SOC提供了更強(qiáng)的物理和化學(xué)保護(hù)。因此，SOC庫的周轉(zhuǎn)率通常隨著團(tuán)聚體大小的增加而增加。重要的是，團(tuán)聚體大小提供的物理化學(xué)條件差異創(chuàng)造了土壤生物群落的獨(dú)特生態(tài)位和網(wǎng)絡(luò)，可能影響微觀尺度上的生物化學(xué)循環(huán)。例如，較小的團(tuán)聚體孔隙可能限制了以原生動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物為主的真核生物的捕食活動(dòng)，從而作為以細(xì)菌和真菌為主的較小生物的避難所，導(dǎo)致細(xì)菌和真菌殘?bào)w的積累更多。此外，變暖或改變的降水可能通過改變土壤結(jié)構(gòu)和資源可及性，重塑團(tuán)聚體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的營養(yǎng)相互作用，從而強(qiáng)烈影響食物網(wǎng)穩(wěn)定性和碳循環(huán)。具有相似環(huán)境和資源偏好的類群可能在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中形成聯(lián)系密集的區(qū)域，從而在碳分解或保護(hù)中協(xié)同作用。關(guān)于氣候變化對土壤生物群落及其介導(dǎo)的碳動(dòng)態(tài)的影響的研究主要集中在散裝土壤中的有限土壤生物類型，如細(xì)菌和真菌群落。然而，作為食物網(wǎng)中的自上而下的調(diào)節(jié)者，土壤原生動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物在塑造生物多樣性和SOC穩(wěn)定性方面至關(guān)重要，特別是在水分或食物可及性不同的團(tuán)聚體中。值得注意的是，GRSP的形成在很大程度上取決于地上植物和廣泛的地下生物之間的相互作用，包括原核生物和真核生物。因此，全面理解土壤微生物源產(chǎn)物及其在變化氣候中的生物學(xué)驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)需要考慮土壤團(tuán)聚體中存在的生物群落之間的復(fù)雜相互作用。

作為世界上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，草原覆蓋了地球陸地表面的約40%，儲(chǔ)存了約34%的碳庫，因此對維持全球碳匯的平衡和穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，草原碳固存對正在進(jìn)行的和多方面的氣候變化，如變暖和降水格局變化，特別在水資源有限的地區(qū)，非常敏感。為了理解氣候變化因素如何影響水資源有限草原中的土壤碳和生物群落動(dòng)態(tài)，我們在2017年中國西北黃土高原的半干旱草原啟動(dòng)了一個(gè)雙因素操作實(shí)驗(yàn)（變暖和降水），旨在研究土壤團(tuán)聚體中微生物衍生的MNC和GRSP對變暖和降水減少的響應(yīng)及其非生物和生物驅(qū)動(dòng)因素，特別是土壤多營養(yǎng)層級(jí)生物群落。假設(shè)（1）變暖和降水減少將減少水分含量或植物碳輸入，從而減少微生物生長和相關(guān)衍生產(chǎn)品的積累，特別是在相對脆弱的大團(tuán)聚體分?jǐn)?shù)中；（2）由于GRSP更強(qiáng)的化學(xué)抗性和礦物保護(hù)傾向，GRSP比MNC更能抵抗氣候變暖和降水減少；（3）不利的氣候變化將因資源競爭和惡劣環(huán)境中的捕食而加劇跨營養(yǎng)層級(jí)群體之間的負(fù)面相互作用，從而影響團(tuán)聚體中土壤微生物衍生產(chǎn)品的積累。

研究方法：

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西安塞，本研究野外地點(diǎn)自2006年以來在半干旱草原上建立了次生演替，主要由本土多年生物種組成，包括草木樨、異果蓼、艾蒿、羊茅、爬山虎和異葉假蛇床。土壤分類為石灰性雛形土，質(zhì)地為壤土。其容重為1.16g cm^-3，pH值為8.22。野外實(shí)驗(yàn)于2017年7月建立，采用之前描述的區(qū)組分割設(shè)計(jì)。該地包含10個(gè)處理，分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)塊（重復(fù)），每個(gè)區(qū)塊包括六個(gè)3 m×3 m的小區(qū)。在一個(gè)區(qū)塊的六個(gè)小區(qū)中，選擇了一個(gè)沒有任何氣候變化因素的對照（C）小區(qū)和一個(gè)帶有開口式室的增溫（W）小區(qū)，其余五個(gè)小區(qū)隨機(jī)分配給四種降水處理之一（減少50%降水、減少25%降水、增加25%降水和增加50%降水），進(jìn)一步劃分為一個(gè)增溫子小區(qū)和一個(gè)不增溫子小區(qū)。降水減少處理使用傾斜10度的U形亞克力板擋雨，阻擋25%或50%降水，收集阻擋的水。在本研究中，僅選擇了增溫和降水減少情景下的處理進(jìn)行采樣。自實(shí)驗(yàn)開始，每月三次測定土壤呼吸，同時(shí)測量10cm深度的土壤溫度和濕度。植物群落調(diào)查包括物種數(shù)量、高度和覆蓋度，并計(jì)算不同功能群的平均重要值。2021年7月，從每個(gè)子小區(qū)（0-10厘米）采集土壤樣品，為了確保樣品保持原始結(jié)構(gòu)，經(jīng)過篩選和混合后進(jìn)行土壤分析和團(tuán)聚體分級(jí)。本研究旨在探究氣候變化對土壤碳動(dòng)態(tài)和生物群落的影響。

主要研究結(jié)果：

1.氣候因素對土壤微生物殘?bào)w碳的影響

MNC和GRSP的含量顯著受到氣候變化因素和團(tuán)聚體尺寸的影響（圖1）。FNC、MNC和T-GRSP在微生物誘導(dǎo)（MI）土壤中的含量平均比在微生物抑制（MA）和土壤吸附（SA）土壤中高11-44%。增溫使生物量碳（BNC）、微生物生物量碳（FNC）和微生物壞死碳（MNC）分別增加了17%、9%和11%，而降水減少使它們分別減少了11%、20%和23%。降水減少使TGRSP和EE-GRSP的濃度分別增加了25%和120%，其中微生物誘導(dǎo)（MI）土壤中增加最為顯著。增溫和其與降水減少的交互作用也對顆粒穩(wěn)定有機(jī)碳（GRSP）產(chǎn)生了積極影響。

在微生物抑制（MA）土壤中，MNC和T-GRSP對SOC庫的貢獻(xiàn)最低（分別為35%和25%），而在微生物誘導(dǎo)（MI）土壤中貢獻(xiàn)最高（分別為65%和36%）。降水減少顯著降低了微生物抑制（MA）和土壤吸附（SA）土壤中MNC對SOC庫的貢獻(xiàn)，而增溫顯著增加了MNC的貢獻(xiàn)，不受團(tuán)聚體分?jǐn)?shù)的影響（圖2）。然而，降水減少顯著增加了T-GRSP和EE-GRSP對SOC庫的貢獻(xiàn)，平均增加了27-50%和47-260%。 

Meta分析發(fā)現(xiàn)降水減少對GRSP有顯著負(fù)效應(yīng)（圖3）。降水減少對總氮（TN）的影響在元分析和田間實(shí)驗(yàn)之間也有所不同。田間實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳（SOC）和總氮（TN）與GRSP對SOC的貢獻(xiàn)呈負(fù)相關(guān)。

圖1  增溫和降水減少對土壤團(tuán)聚體組分中細(xì)菌壞死質(zhì)碳（BNC）、真菌壞死質(zhì)碳（FNC）、微生物壞死質(zhì)碳（MNC）以及總可提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（T-GRSP）濃度的影響

圖2  增溫和降水減少對細(xì)菌壞死質(zhì)碳（BNC）、真菌壞死質(zhì)碳（FNC）、微生物壞死質(zhì)碳（MNC）以及總可提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（T-GRSP）對土壤團(tuán)聚體組分中土壤有機(jī)碳（SOC）貢獻(xiàn)的影響

圖3  Meta分析研究了增溫和降水減少對GRSP及其對SOC貢獻(xiàn)的影響（圖a-b），以及GRSP與SOC的比例、SOC與TN在本地和全球尺度上的關(guān)系（圖c-f）

2.土壤微生物殘?bào)w碳的生物因素和非生物因素驅(qū)動(dòng)

真菌的Shannon多樣性在MI中顯著更高，而原生動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物的多樣性在MA中顯著更高，相比之下，細(xì)菌多樣性在不同團(tuán)聚體大小之間沒有顯著差異（圖4）。降水減少顯著降低了MA中真菌和無脊椎動(dòng)物的Shannon多樣性，但對細(xì)菌和原生動(dòng)物沒有影響。值得注意的是，降水減少在MI中增加了真菌和無脊椎動(dòng)物的多樣性。

隨機(jī)森林模型表明，土壤養(yǎng)分（TN和資源化學(xué)計(jì)量）以及生物因素（多營養(yǎng)級(jí)群落組成和磷獲取酶活性）解釋了MNC和T-GRSP及其對SOC貢獻(xiàn)的大部分變異（圖5）。MNC主要受細(xì)菌和真菌組成、磷獲取酶活性和總氮的影響。而在MA和MI中，T-GRSP主要受真菌和原生動(dòng)物組成、總氮和碳氮比的影響，而在SA中，氮和磷獲取酶活性的影響超過了生物群落組成的影響。

通過變異分割分析量化了植物、土壤性質(zhì)和生物群落組成對土壤中MNC和T-GRSP的影響（圖5）。植物組成、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)和生物群落組成分別解釋了MNC和T-GRSP變異的86.7%和94.5%。MNC主要受生物群落組成的影響，而T-GRSP主要受土壤化學(xué)性質(zhì)的影響（即碳氮比、TN和鈣離子濃度Ca²⁺，圖5）。

圖4  增溫和降水減少對細(xì)菌( a )、真菌( b )、原生生物( c )和無脊椎動(dòng)物( d )多樣性的影響

圖5  土壤團(tuán)聚體組分(a)和非團(tuán)聚體組分(b-c)中微生物死生物物質(zhì)C (MNC)和總可提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(T-GRSP)的驅(qū)動(dòng)因子

3.多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)對微生物衍生碳的影響：   

本研究發(fā)現(xiàn)MI中GRSP和MNC的濃度顯著高于MA。我們在具有較大孔隙的MA中發(fā)現(xiàn)了原生動(dòng)物消費(fèi)者和線蟲的相對豐度更高。這與MA中最豐富的原生動(dòng)物/無脊椎動(dòng)物與細(xì)菌/真菌之間的負(fù)營養(yǎng)關(guān)聯(lián)相對應(yīng)（圖6）。相比之下，微團(tuán)聚體包含了更豐富的微生物群落，特別是對MNC和GRSP貢獻(xiàn)更大的真菌群落。此外，與MI相比，MA更易受到干擾和環(huán)境變化的影響，其中微環(huán)境相對穩(wěn)定我們通過對多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣魍茢喑龅姆€(wěn)定性來證實(shí)了這一觀察結(jié)果（圖6）。

我們通過模塊特征值分析進(jìn)一步鑒定了驅(qū)動(dòng)土壤碳動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵模塊（圖7）。在宏團(tuán)聚體（MA）中，盡管這些模塊與微生物壞死質(zhì)碳（MNC）和土壤球囊霉素（GRSP）顯示出強(qiáng)烈的相關(guān)性，但并未發(fā)現(xiàn)模塊與土壤有機(jī)碳（SOC）含量之間有明確的關(guān)聯(lián)。在微團(tuán)聚體（MI）和粉砂粘土（SA）中，幾乎所有模塊都與SOC呈負(fù)相關(guān)，其中六個(gè)模塊顯示出顯著的負(fù)相關(guān)性。這些模塊也與MNC呈負(fù)相關(guān)，而與GRSP呈正相關(guān)。降水減少顯著增加了這六個(gè)模塊的相對豐度，表明它們在干旱條件下對SOC和MNC含量有負(fù)面影響，同時(shí)對GRSP有積極影響。

圖6  不同團(tuán)聚體組分下生物群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定性

圖7  多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵生態(tài)模塊跨越三個(gè)聚集部分

5.結(jié)論：

本研究深入探討了氣候變化，特別是增溫和降水減少，對半干旱草地土壤中微生物衍生碳組分的影響，以及土壤團(tuán)聚體和多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)在這一過程中的作用。通過四年的野外實(shí)驗(yàn)結(jié)合室內(nèi)分析，我們發(fā)現(xiàn)增溫顯著增加了MN），而降水減少則降低了MNC的濃度，但同時(shí)增加了GRSP的濃度。這一現(xiàn)象表明，微生物衍生碳的穩(wěn)定性和積累受到氣候變暖和降水模式變化的顯著影響。

土壤團(tuán)聚體的分析揭示了微生物衍生碳在不同團(tuán)聚體組分中的分布差異，其中MI顯示出更高的GRSP和MNC濃度。這強(qiáng)調(diào)了土壤結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)微生物衍生碳穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用。此外，多營養(yǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)分析表明，降水減少加劇了網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)相互作用，可能削弱了土壤生物群落的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響土壤碳循環(huán)。

本研究的結(jié)論對于理解和預(yù)測在全球變化背景下土壤碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)具有重要意義。強(qiáng)調(diào)了土壤生物多樣性和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)在維持土壤碳循環(huán)中的重要性，并指出了未來研究需要進(jìn)一步探索的領(lǐng)域，包括地上植物輸入和地下生物轉(zhuǎn)化對SOC來源的影響。這些知識(shí)對于制定土地管理策略，以增強(qiáng)土壤碳匯功能和提高生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性至關(guān)重要。