土壤呼吸是陆地生态系统与大气之间最大的CO2通量，在全球碳循环中扮演重要角色，其主要包括自氧呼吸（主要来自植物根系呼吸）和异氧呼吸（主要来自土壤微生物呼吸）两部分。土壤微生物呼吸，即土壤微生物分解土壤有机碳时所释放的CO2，约占土壤总呼吸的60%，其微小变化将会对大气CO2浓度产生显著影响。温度是影响土壤微生物呼吸的重要环境因子，温度升高微生物呼吸通常增强，对全球变暖形成正反馈效应。近年来，越来越多的实验表明，随着增温时间的推进，温度对微生物呼吸的促进作用会削弱，并认为这是由于微生物的热适应现象导致。
以往对土壤微生物热适应的研究中，通常会通过添加过量的易分解碳（如葡萄糖）以排除底物限制对微生物呼吸的影响，使得以往的研究结果通常反映以易分解碳为底物的微生物群落（如富营养型微生物）热适应。土壤有机碳组成复杂，并且大部分（通常>90%）以难分解碳的形式存在。微生物分解不同可分解性碳过程是否持续存在热适应现象，换言之，微生物分解难分解碳过程是否存在热适应？这一问题尚未解决。
为回答这一问题，本研究采集了两种典型生态系统（自然林和农田）土壤，在不同温度（10、20和30°C）开展了6年的长期培养实验，使得土壤微生物分解过程从以易分解碳为主到以难分解碳为主转变，并定期在三个短期测试温度（10、20和30°C）测定土壤微生物呼吸速率。本研究主要通过单位微生物呼吸速率（Rmass，microbial respiration rate per unit microbial biomass）反映土壤微生物呼吸热适应；若热适应存在，在相同的短期测试温度下，长期培养温度越高Rmass越低。
本研究发现，不管是自然土壤还是受人工干扰土壤，在相同的短期测试温度下，较高的长期培养温度下Rmass均小于较低的长期培养温度，并且这一现象在整个长期培养过程中持续存在（图1）。
▲图1 | 不同长期培养温度下单位微生物呼吸速率（Rmass）。
通过分析矿物保护、底物质量、微生物特征等土壤微生物呼吸可能的影响因子，本研究进一步探究了土壤微生物热适应的机制。结果表明，土壤微生物热适应主要受微生物群落的生活史策略调控，并且不同长期培养温度下Rmass差异与微生物寡营养型：富营养型比例表现出正相关关系（图2）。
▲图2 | 土壤pH、矿物保护、底物质量和微生物特征因子对单位微生物呼吸速率（Rmass）的调控作用。
综上，本研究发现，土壤微生物呼吸在长期土壤碳分解过程均表现出热适应现象，拓展了以往的易分解碳分解过程的热适应现象，揭示了微生物在难分解碳分解过程也存在热适应。本研究结果表明，土壤微生物呼吸对温度变化的生理反应可能是属于不同功能群（富营养型vs寡营养型）微生物的共同特征。如果土壤微生物分解难分解碳的热适应现象在野外系统普遍存在，气候变暖对土壤碳损失的刺激作用可能比当前预测的要小。
复旦大学生命科学学院李金全青年研究员为论文第一作者、聂明教授为论文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金重大研究计划和青年项目、上海市基础特区研究计划、上海市自然科学基金等项目的资助。
论文信息
标题：Thermal adaptation of microbial respiration persists throughout long-term soil carbon decomposition
期刊：Ecology Letters
类型：Letter
作者：李金全, 裴俊敏, 方长明, 李博, & 聂明*
时间：2023-08-17
DOI ：https://doi.org/10.1111/ele.14296