GCB | 气候变暖下的土壤碳损失：来自碳降解酶的新证据|研究
The following article is from Wiley生态学 Author 徐侠课题组
导读
以往研究表明，气候变暖会影响土壤碳（C）动态，从而对土壤碳储量和大气二氧化碳（CO2）浓度产生较大的影响，但尚不清楚土壤C储存变化的潜在机制。微生物胞外酶（木质素酶和纤维素酶）的活性能够指示土壤微生物主要C源的变化，可用于探究土壤C损失途径对增温的响应。
本文编辑：徐侠课题组
徐侠 | 南京林业大学，教授，Global Change Biology编委
研究方向：全球变化生态学、土壤生态学、生物地球化学
来源：Wiley生态学公号（2020年4月9日）
原文信息
引言
土壤C库约为大气C库的3到4倍，其微小变化也可能引起大气中CO2浓度的显著波动，因此，土壤C储量对全球变暖的响应会对全球气候变化趋势产生较大的影响。然而，尽管近几十年来进行了大量研究，气候变暖对土壤C库的净影响仍不清楚。几项短期研究发现，土壤C损失与实验增温有关，然而尚不清楚短期实验的结果是否适用于长期增温实验，因此为了进一步预测未来C储量，我们需要提高对土壤碳动态变化机制的认识。
土壤呼吸对增温的短期响应主要表现在不稳定的凋落物和土壤有机质（SOM）的周转加快，然而，大部分的凋落物和SOM由于受到土壤中复杂的化学构象或者物理化学相互作用的保护，很难被微生物利用。因此，长期增温对土壤C储量的影响不仅取决于凋落物和SOM的微生物可利用性，还取决于化学络合物的解聚作用和难分解C库的动态。
纤维素酶和木质素酶是降解不同质量的凋落物和SOM最重要的C降解酶，纤维素酶与不稳定C库的分解有关，而木质素酶与难分解C库的分解有关，因此木质素酶活性与纤维素酶活性的比值（木质素酶活性：纤维素酶活性）可以用来量化微生物对凋落物和SOM的利用。最近的一项研究表明，气候变暖对纤维素酶和木质素酶有不同的影响，然而并没有量化C降解酶活性的变化与土壤C储量变化之间的关系。在本研究中，作者收集了全球范围内68项研究中的数据（图S1），以量化实验增温条件下土壤C储存与C降解酶活性之间的关系，并评估增温对不稳定C库和难分解C库的影响。
图S1 本研究中升温实验的分布情况
结果
Meta分析结果表明，木质素酶活性：纤维素酶活性的变化与增温引起的土壤C储量变化呈负相关 （P < 0.001；图1a）。环境因子（即纬度、海拔、年平均温度和降水）、实验因子（即增温方法、持续时间和大小）和生态系统类型等均不影响土壤C储量对增温的响应（图1b）。
在所有关于C降解酶活性的研究中，实验增温使木质素酶活性：纤维素酶活性显著增加了13%（95%置信区间：4~23%）。长期（≥5年）实验增温使使木质素酶活性：纤维素酶活性显著增加了39%，但短期（＜5年）实验增温没有影响。
图1 （a）增温引起的木质素酶活性：纤维素酶活性的变化与土壤C储量变化的关系；（b）调节实验增温对土壤C储量影响的变量的相对重要值。
图2 实验增温时间对木素酶活性:纤维素酶活性的影响。数据分为增温持续时间小于或大于等于5年。
长期实验增温使土壤难分解C库显著减少了14%，而短期实验增温没有显著影响（图3a）。尽管增温持续时间可以很好地预测难分解C库对增温的响应(图3b)，但增温对不稳定C库的影响，其所有预测因子均未达到0.8的阈值，土壤不稳定C库对增温的响应与实验时间无关。
图3 （a）实验增温时间对难分解C库的影响；（b）调节实验增温对难分解C库影响的变量的相对重要值。数据分为增温持续时间小于或大于等于5年。
结论
综上所述，本研究强调了微生物酶和底物相互作用在驱动长期气候变暖条件下土壤碳动态中的关键作用，结果表明木素酶活性:纤维素酶活性的增加会促进难分解C的降解，这种酶活性的变化也可能会增加微生物对凋落物和SOM的可利用性，进而造成长期增温过程中的C损失。但在C分解模型和野外观测实验中，利用C降解酶来揭示分解过程的经验数据仍然缺乏，因此，为了更好地预测气候变化对土壤C储量的影响，未来的研究需要揭示土壤C降解酶活性变化背后的微生物和分子机制及其控制因素。
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