我国东北湿地冻融过程中碳损失的微生物驱动机制研究

Freeze-thaw cycles can have strong effects on carbon (C) transformation in soils mainly through influencing microbial activity and its population. The wetland in cold temperate region of Northeast China is the main high-latitude permafrost distribution region, it is important to soil carbon pool, and is also the sensitive area of climate change. In the recent years, significant degradation was found in continuous permafrost zone，and change in soil freeze-thaw cycling was more evident than ever, but the underlying mechanisms driven by soil microorganisms is scarce. To address this issue, we carried out an incubation study under controlled trial and incubation experiments condition with permafrost and seasonal frozen soil amended with 13C-labeled glucose and used with methods of molecular biology technology. The aims of our investigation were to identify the transformation into greenhouse gases under different frequency and intensity of freeze-thaw cycles, to clarify the relative contribution of fungi and bacteria in the transformation and loss process, and to clarify the microbes-mediated mechanisms that freeze-thaw cycling facilitated greenhouse gases emissions.

冻融通过改变土壤结构和水热状况影响微生物活性，进而对土壤有机碳的生物地球化学循环过程产生重要影响。东北寒温带沼泽湿地是我国高纬度多年冻土的分布区,重要的土壤碳库,也是气候变化敏感区。近年来，该区多年冻土退化和土壤冻融过程变化已非常明显,但对冻融作用下土壤碳素转化的微生物作用机制仍缺乏深入认识。从降低土壤碳损失角度出发，开展冻融作用下碳素的微生物转化过程研究对加深认识土壤碳循环转化过程及内在的生物驱动机制具有重要意义。本研究以我国东北地区典型沼泽湿地冻土为对象，采用野外控制和室内模拟方法，应用稳定同位素示踪技术和分子生物学方法，以标记葡萄糖碳素被微生物转化温室气体过程为切入点，系统研究不同冻融模式下土壤有机碳转化温室气体的特征，解析冻融作用下微生物对土壤碳素转化和流失的贡献，进一步结合有机碳库储量和质量，阐明冻融作用下土壤碳素转化的微生物学机制。

全球气候变暖背景下，冻土退化，造成冻融过程包括频次和幅度的变化，冻存在冻土中的微生物群落不同程度活跃代谢土壤碳底物，造成冻土碳损失。本研究首先通过室内模拟冻融实验，探讨了冻融强度和循环次数对我国东北两种典型冻土湿地二氧化碳、甲烷产生以及土壤微生物生物量碳和土壤微生物群落结构的影响。结果发现，不同冻融条件下，循环次数显著影响两种冻土CO2、CH4排放和MBC含量。与对照和小幅度冻融循环相比，大幅温度波动显著促进两种冻土土壤碳排放，但冻融强度对MBC含量影响不大。大幅度冻融处理中，连续多年冻土CO2累积排放量高于季节性冻土，但两种冻土类型CH4累积排放量对不同冻融幅度响应有所差别，冬季冻结温度降低，可能会加剧我国东北冻土中土壤的碳排放。通过磷脂脂肪酸方法发现冻融作用刺激了两种冻土湿地土壤细菌结构变化，特别是G+、G-、好氧菌、厌氧菌生物量增加。连续多年冻土放线菌和真菌含量增加，但随冻融频次增加，真菌/细菌PLFA比值在不同冻融处理中均显著降低。季节性冻土G+/G- PLFA比值显著升高。通过对土壤微生物群落的高通量测序分析，发现不同冻融处理对典型冻土的微生物群落的影响有所不同，连续多年冻土在对照、小幅度冻融和大幅度冻融处理后，群落结构并没有显著变化，而季节性冻土则有不同响应模式，较低纬度的冻土在大幅度冻融处理后，土壤微生物群落发生了分异。对与碳循环密切相关的土壤产甲烷菌的高通量测序分析，发现将多年冻土和季节性冻土分别南移3年后，不同深度的产甲烷菌丰度变化明显。本研究为科学评估全球气候变化对我国东北主要冻土区的土壤碳周转提供了数据支持。