科研 | ISME：升温改变功能性微生物群落增强有机碳分解（国人作品）
本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。
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土壤有机质（SOM）中碳（C）含量是大气的三倍，碳含量变化可能对未来的大气二氧化碳浓度和气候产生重大影响。在过去的二十年中，许多研究致力于分析升温对表土中SOM分解的影响。而本文着重分析升温对底层土壤中碳的影响。
论文ID
原名：Warming enhances old organic carbon decomposition through altering functional microbial communities
译名：升温改变功能性微生物群落增强有机碳分解
期刊：The ISME Journal
IF：9.520
发表时间：2017年
通信作者：Lei Cheng
通信作者单位：浙江大学
实验设计
作者进行了长期的田间试验和综合分析，在田间确定气候变暖的条件下，通过将稳定性同位素探测技术与宏基因组学联合分析，阐明气温变暖对土壤中碳的影响。
实验内容
在11年的实验期间，气候变暖显着增强了整个实验地的土壤CO2流出量。变暖也显着降低了20-25cm底层土中的碳含量（图1a）。作者通过对以往14项研究统计分析后发现变暖显着降低了整个土壤剖面中的碳含量（图2）。在大多数土层中，升温引起的升温范围为1-3℃。在温度升高<2°C和⩾2°C的土壤层中，温度对土壤碳的影响基本一致（图2）。尽管底层影响略小于表层影响，但变暖仍降低了顶层土和底层土的碳含量（图2）。
图1 （a）土壤有机碳含量；（b）SOM放射性碳年龄
图2 SOC变化的Meta分析
作者发现20-25cm的底层土的14C年龄已有数千年历史（图1b）。最值得注意的是，变暖条件下平均14C年龄几乎是对照组年龄的两倍（图1b）。结果表明，在该样地变暖的十年里底土层中的古老SOM易受微生物分解影响。
显著性检验结果表明，变暖并未改变细菌群落的分类结构。在变暖的情况下，细菌门水平的相对丰度也保持不变（图3a）。作者使用DCA来分析土壤中细菌群落的相似性。结果表明，变暖的细菌群落与对照的细菌群落差异极小（图3d）。因为分解是通过微生物的各种酶促反应来实现，作者采用GeoChip技术来评估微生物群落的功能基因。与对照组相比，DCA揭示了变暖条件下整个微生物群落和细菌群落功能基因的显著聚类情况（图3e,f）。
从OTU水平来看只有0.4％的OTU相对丰度在变暖时发生变化（图3b）。在基因水平，变暖显著改变了16.2％的功能基因和15.6％的细菌功能基因的信号强度（图3c），由此作者发现变暖可以改变功能基因的潜力（图3）。实验数据表明变暖改变了底层土壤细菌群落的功能结构。
作者鉴定了72种真菌物种的4969个基因，其中大多数属于子囊菌门和担子菌门。变暖显着增加了21％真菌功能基因和24.2％碳循环基因的信号强度（图3c），这些结果与之前研究相一致。DCA显示升温处理后功能性真菌群落发生聚集（图3g）。结果表明升温诱导土壤SOM分解与微生物群落功能基因结构的变化。
图3升温对地下土壤微生物群落分类和功能的影响。
温度较高的土壤中初始总C的未降解值在初期显著高于对照土样（图4）。单一同位素模型进一步表明，升温土壤中植物残留物和土壤部分的CO2呼吸情况分别比对照土壤高38％和49％（图4c）。这也表明升温的微生物群落在降解有机质方面的潜能高于对照组。
图4不同处理下土壤中微生物群落的分解情况
DCA结果揭示了活性微生物群落16S rRNA基因的强烈聚类特性（图5b）。并没有发现不同处理下土壤中细菌的相对丰度有任何差异（图5a）。基于功能基因的GeoChip分析表明，与变暖相关的群落聚集在一起（图5c）。在整个土壤群落中，变暖使所有基因的丰度平均增加了7％，对降解顽固有机化合物的基因影响更大（图6a）。温暖土壤中微生物群落积极从植物残留物中吸收13C，与分解相关的基因其相对丰度高于对照土壤，其中降解碳的基因平均增加41％（图6b）。结果表明，温度显着增加了编码降解有机化合物的功能基因。
图5 SIP实验中不同处理土壤中微生物群落的分类和功能结构
图6 SIP中不同处理下碳降解关键基因情况
实验结论
通过长期田间升温实验和分析研究，作者发现气候变暖显着增加了底层土的SOM分解。气候变暖促进了底层土SOM的分解，这种影响主要与微生物群落功能基因的变化有关。作者发现升温后的土壤中微生物群落具有较高丰度的功能基因，这些基因参与降解有机物，与对照土壤相比具有显著差异。研究结果表明，气候变暖可能会改变底层土中大量SOM的稳定性，从而有助于调节C循环。
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