Nature Communications | 微生物多样性驱动土壤碳利用

    气候变暖、干旱和物种多样性丧失对土壤碳循环有着综合影响的研究证据还很少。微生物碳利用效率(CUE)在调节土壤中碳的流动方面起着核心作用，但生物因素和非生物因素如何相互作用来驱动碳的流动仍不清楚。

    马萨诸塞大学阿默斯特分校的博士后Luiz A. Domeignoz-Horta和通讯作者Kristen DeAngelis领导的研究团队指出土壤微生物群落多样性的变化可以改变土壤固碳的能力，而土壤通常有助于调节气候。这一研究结果发表在Nature Communications, 题目为Microbial diversity drives carbon use efficiency in a model soil。

    本研究结合不同的群落接种（生物因素）与不同的温度和湿度条件（非生物因素）来操纵模型土壤的微生物多样性和群落结构。虽然群落组成和多样性是CUE最强的预测因素，但同时非生物因素调控了微生物多样性和CUE之间的关系，只有在高湿度下CUE才与细菌多样性呈正相关。总的来说，这些结果表明，多样性和生态系统功能之间的关系在土壤的非有利条件下可能会受到损害。为了理解土壤碳循环的变化，我们需要考虑到全球变化的多个方面。

    多样性对碳利用效率的积极影响：它在碳储存中起着核心作用，但在干燥条件下会被中和。碳利用效率指的是被微生物同化的碳与作为二氧化碳流失到大气中并导致气候变暖的碳。土壤碳通过持水和帮助植物生长使土壤健康。土壤中的碳在一定程度上受生活在其中的微生物利用新鲜植物和其他部分土壤有机物生长的速度和效率的调节。一些"土壤碳库"可以固持几十年, 这是我们真正想要拥有的，因为它们能帮助土壤保持海绵状吸水，并帮助结合和释放植物生长所需的营养物质。多样性是有趣的，不仅在微生物学中，而且在所有生物体中，包括人类。它由许多不同的因素控制，似乎更多样化的系统往往能更有效地工作，并更好地承受压力。本文想了解微生物多样性在土壤碳效率中的作用。

    复制微生物多样性是很棘手的，这就是为什么我们使用了一个模式土壤系统。Luiz从土壤中提取微生物，在缓冲液中对微生物浓度进行连续稀释，并接种土壤以获得多样性的变化。他们让五种不同的微生物混合物生长了120天。除了其他测试外，他们还使用了一种基于¹⁸O-H₂O的重度、稳定的水同位素的新方法。这个方法能够追踪氧气，并在不同的多样性、土壤湿度和温度条件下跟踪不同时间新的增长。

图1 微生物多样性操作的实验设计

表1 多样性(Div)、水分(Mois)和温度(Temp)处理及其相互作用对细菌和真菌α多样性指标以及细菌和真菌群落结构影响的方差百分比

    一件有趣的事情是，我们确实看到更多样化的群落更有效率。微生物比在多样性较少的群落中生长得更多，但当它们受到水的压力时，微生物多样性失去了这种增长。这表明，微生物多样性的抗压能力是有限的。在土壤的非有利条件下，生态系统功能和微生物多样性之间的关系可能会受损。

图2 细菌多样性与生长、呼吸和CUE的关系

图3 温度和水分的短期变化对呼吸、生长和CUE的影响

图4 结构方程模型显示了土壤非生物因素和生物因素对CUE的相对影响

    面对气候变化，我们必须了解全球环境变化将如何影响土壤C循环。据我们所知，这是第一个积极操纵微生物群落来探索生物和非生物成分如何相互作用来驱动土壤系统中CUE的研究。微生物群落的变化可以改变CUE，而且微生物多样性对CUE的积极影响在干燥条件下会被中和。

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