土壤是陆地生态系统储量最大的活跃碳库，其储量的微小改变都可能影响大气二氧化碳浓度，进而改变气候变暖的进程。全球一半以上的土壤有机碳贮存在深度超过30cm的底层土壤中，而底层土壤碳库的稳定性尚不明确，其对气候变化的响应成为当前全球变化生态学研究的焦点之一。
青藏高原是全球气候变化的敏感区，高寒草地是青藏高原的主要植被类型之一。已有研究发现，青藏高原地区的持续升温和伴随的干旱显著降低了高寒草地表层土壤含水量，促进了深根植物的生长，而植物根系分布加深驱动了底层土壤有机质的降解及新碳封存。然而，调控底层土壤碳动态的微生物过程对增温和干旱的响应尚不明确。
图1青藏高原海北站野外模拟增温和干旱实验平台(贺金生教授提供)
图2土壤微生物承担着分解者的重要工作(图片来自网络)
土壤微生物作为生态系统中不可或缺的工种，在调控土壤有机碳动态中发挥着三重重要角色。首先，土壤微生物通过分泌胞外酶和自身代谢作用，将土壤有机碳矿化为温室气体(二氧化碳或甲烷)。其次，土壤微生物也可以分泌和氮、磷元素周转相关的胞外酶来介导土壤养分循环，调控植物生长及微生物活性。再者，微生物还可以将一部分有机质转化为相对稳定的微生物残体和副产物，并通过群落迭代促进稳定土壤有机碳的形成。因此土壤微生物不仅扮演着“分解者”的角色，还是土壤有机碳库的重要“贡献者”。
那么，土壤微生物的双重角色如何响应增温和干旱呢?
为了回答这个问题，中国科学院植物研究所冯晓娟研究组与合作者利用青藏高原海北站的长期增温控水实验平台，结合添加13C标记凋落物的土壤培养实验，通过微生物活体和残体标志物13C与胞外酶活性分析，对比研究了表、底层土壤微生物作为土壤有机碳“分解者”和“贡献者”的响应。
研究发现，与对照相比，五年的增温和干旱处理显著抑制了底层土壤中有机氮水解酶(亮氨酸氨基肽酶)的活性，降低了无机氮素(及水分)的可利用性，从而增强了微生物氮限制。通过以上影响，增温和干旱处理抑制了底层土壤微生物对土壤有机碳以及植物凋落物的矿化能力(即“分解者”功能)，并且降低了微生物碳利用效率和残体积累效率(即“贡献者”功能)。然而，以上变化在表层土壤中均未发生。
图3增温和干旱对高寒草地底层土壤微生物过程的影响及其关键途径
上述结果表明在增温和干旱条件下，高寒草地底层(而非表层)土壤微生物变得“又懒又低效”。由于增温提高了该地区高寒草地的地下生产力，因此增加的植物根系输入和怠工状态的微生物都有利于底层土壤碳库积累。但是，在底层土壤氮限制加剧的背景下，植物生产力和底层土壤碳库积累的可持续性值得进一步研究。
该研究成果于近日在线发表于国际学术期刊GlobalChangeBiology(doi:10.1111/gcb.15541)。中国科学院植物研究所博士生朱二雄和已毕业博士生曹朕娇为论文共同第一作者，冯晓娟研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
