亚热带常绿阔叶林土壤碳过程对极端干旱响应的微生物生态学机制

Extreme drought climate with increasing frequencies and intensities threatens forest ecosystem soil C stability at the global scale, possibly resulting in a positive feedback to the warming climate. Soil aggregate structures provide the most important physical protection of soil organic carbon. Soil aggregates are also inhabited by diverse soil microorganisms that mediate soil elemental cycling processes. Yet, there lack mechanistic understandings of how structures of forest soil aggregates change under extreme drought condition, how they impact microbial community structures and microbial C cycling processes, or how these changes eventually influence soil C cycling. This project studies microbially mediated soil C processes and the responses to extreme drought in a subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem, based upon a long-term precipitation alteration experiment established in Tiantong National Forest Ecosystem Observation and Research Station. To elucidate response mechanisms of soil C processes to extreme drought, the project starts from assessing organic C allocation and micro-structures of soil aggregates, followed by analyses of microbial community structures as well as microbially mediated C cycling processes including soil enzymatic activities and C source-utilizing preferences. Eventually, results from this study will provide important references for predicting the impact of extreme drought on soil C stability in subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystems.

全球范围内极端干旱气候发生频率与强度的升高威胁着森林生态系统土壤碳库的稳定性，有可能造成对气候变暖的正反馈。土壤团聚结构是土壤有机碳最重要的物理保护机制，土壤团聚体亦承载着土壤微生物及其介导的土壤元素循环过程。但是，极端干旱情景下，森林土壤团聚结构如何变化，这些变化又如何影响团聚体微生物群落结构与碳循环功能，并最终影响土壤碳周转的过程尚缺乏机理性研究。本项目以亚热带常绿阔叶林生态系统为研究对象，基于浙江天童山国家野外科学观测研究站的极端干旱试验样地，从土壤团聚体有机碳分配、团聚体微结构入手，结合微生物群落构成及包含酶活性、碳源底物利用偏好性在内的微生物碳循环功能，阐释亚热带常绿阔叶林土壤碳过程对极端干旱的响应机制。本项目的研究成果将为预测极端干旱对亚热带常绿阔叶林生态系统土壤碳库稳定性的影响提供重要科学依据。

我国东部的亚热带森林是北半球同纬度地区的重要碳汇。全球气候变化背景下，该地区未来可能面临更频繁和严峻的干旱威胁。本研究基于浙江天童山的极端干旱试验样地，通过分析土壤团聚体的物理化学特性、团聚体微生物群落组成和碳周转功能，综合阐释亚热带常绿阔叶林土壤碳过程对极端干旱的响应机制。研究发现，极端干旱改变了土壤团聚体分布，导致大团聚体损失，微团聚体比例增加一倍。极端干旱同时改变了团聚体有机碳的化学组成，尤其在> 2mm的大团聚体中，非水解碳的含量降低50%以上。基于同步辐射X 射线显微技术，发现干旱增加了大团聚体的孔隙度和连通度，降低了其物理结构的稳定性。研究进而通过高通量扩增子测序，揭示了极端干旱对土壤微生物群落结构的影响，发现细菌和真菌对长期干旱的响应存在明显差异。干旱引起细菌多样性减少、真菌多样性增加。细菌群落中，大部分类群的丰度在干旱处理中降低，而与稳定碳分解相关的放线菌丰度升高。真菌群落中，腐生类群粪壳菌纲、被孢霉纲等显著减少，而与菌根相关的锤舌菌纲等显著增加。进一步通过培养实验测定了团聚体微生物的胞外酶活性，并基于Biolog生态板测定了微生物对不同碳源底物的利用潜力。结果表明，土壤微生物的碳循环功能受到干旱处理、季节和团聚体粒级的共同影响。干旱显著降低了微生物对多数碳底物代谢的能力，和包括CBH、βG、AP、NAG在内的水解酶活性，而与难降解碳分解有关的总过氧化物酶活性（PER）尤其在微团聚体中显著增加。综上所述，我们的研究揭示，干旱不仅降低了土壤团聚体物理结构和团聚体有机碳化学结构的稳定性，同时，对团聚体中微生物群落的结构和碳周转功能都产生了显著影响，或导致土壤微生物群落向稳定碳分解的方向转变，进一步削弱减弱土壤的碳储存潜力。本研究结果为亚热带森林土壤碳库稳定性对极端干旱的响应提供了微观过程的机理解释，为预测其土壤碳库长期动态提供了重要数据支持。