凍土是一種長期處於低溫環境並對氣候變化十分敏感的特殊土壤 （圖1）。由於低溫限制了土壤微生物對有機質的分解，導致凍土中儲存著大量有機碳。最新研究結果顯示，凍土區土壤碳儲量高達1.3萬億噸，約佔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重威脅。特別是在“極地放大效應”的作用下，凍土分佈區的增溫速率達0.6℃/10年，約為全球平均增溫速率的兩倍。
快速的氣候變暖導致大面積凍土融化，進而使得凍土中長期封存的有機碳被微生物分解，以CO2和CH4等溫室氣體的形式釋放至大氣中，最終會進一步加劇氣候變暖。作為生物地球化學循環的引擎，土壤微生物在調控凍土碳循環中起著重要作用。因此，認識凍土區土壤微生物特徵，揭開凍土區土壤中“微觀世界”的神秘面紗，對準確預測凍土碳循環與氣候變暖之間的反饋關係至關重要。
圖1 裸露的凍土土壤剖面（攝影：劉富庭）
為了探索凍土區土壤中的“微觀世界”，中國科學院植物研究所楊元合研究組依託在青藏高原祁連山凍土分佈區建立的熱融塌陷觀測平臺（圖2），基於宏基因組測序、室內培養和碳分解模型等多種手段，解析了土壤微生物群落結構和功能沿凍土融化序列的變化及其關鍵驅動因素 （圖3）。
圖2 凍土熱融塌陷景觀（攝影：劉富庭）
圖3 凍土熱融塌陷對土壤微生物群落結構和功能的影響及其關鍵途徑
（繪圖：陳蕾伊和劉富庭）
研究發現，熱融塌陷16年後，表層土壤微生物群落髮生了明顯改變：細菌相對含量顯著增加，而古菌和真菌的相對含量顯著降低。並且，表徵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，表明微生物對惰性碳的分解能力增強。鑑於惰性碳在土壤碳庫中的佔比較大（超過50%），這種原本難以降解的有機碳組分被微生物分解後可能會造成更多的碳釋放。進一步研究發現，底物屬性的變化是調控微生物群落結構和功能變化的主要因素。
為了進一步驗證基於典型凍土融化序列觀察到的微生物響應規律是否具有普適性，研究人員在青藏高原典型凍土區開展了大範圍凍土取樣工作（圖4），並結合基因芯片、高通量測序和室內培養等方法在更大尺度上揭示了凍土融化後微生物群落結構和功能的變化，構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關係。結果發現，凍土融化導致細菌和真菌的α多樣性顯著下降，而功能基因α多樣性顯著增加。進一步研究發現，凍土融化導致的土壤碳釋放主要取決於微生物功能多樣性，而與分類多樣性無關（圖5）。
圖4 青藏高原凍土區樣點分佈圖 （繪圖：房凱和陳永亮）
圖5 凍土融化引起的微生物多樣性變化及其與土壤碳釋放的關聯 （繪圖：劉富庭）
上述研究結果提供了微生物群落結構和功能響應凍土融化的多尺度證據，拓展了學術界關於凍土融化對土壤微生物影響機制的認識，相關結果以兩篇系列論文的形式發表於國際學術期刊 Global Change Biology。劉富庭博士和陳永亮博士分別為兩篇論文的第一作者，楊元合研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、第二次青藏高原綜合科學考察研究等項目的資助。
來源：中國科學院植物研究所
來源：中科院之聲
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