土壤微生物、线虫和酶对升高二氧化碳、施肥、增温和减雨的响应

来源：拇指科研

自工业革命以来，地球生态系统的大气CO2浓度不断升高，伴随着全球变暖以及降水模式的变化，同时，在当代农业中化学肥料的大量使用深刻地改变了生态系统中活性氮的循环进程，这些全球变化因素造成了诸如生物多样性降低、生态系统服务功能遭到破坏等结果。然而，大多数以往的研究很少同时考虑多个全球变化因素，这阻碍了我们目前对生态系统中多个全球变化因素之间的相互作用的深刻认识。由于复杂的植物-土壤反馈作用，随着时间的推移，生态系统和群落对全球变化的响应可能以意想不到的方式发生改变。

由于土壤生物主要依赖于当地的土壤非生物条件、植物在土壤中的投入和微环境的变化，而改变这些因素的全球变化因子最可能对土壤生物产生最重要的影响。因此，先前大多数全球变化的研究都对土壤生物的相互作用进行了报道，这些研究通过土壤水分和土壤温度，或与植物投入有关的资源解释了土壤生物反应的变化。例如，在土壤含水量减少的情况下，变暖和降水减少交互地降低了无脊椎动物的摄食活动。而且，这种在土壤变暖和降水减少条件下产生的作用会随着CO2浓度的升高而消失。CO2升高对土壤生物的积极影响可能与植物增加根系产量，或在CO2升高时土壤湿度升高对土壤的碳输入增加有关。众多学者一致认为，在正常降水条件下，变暖导致更大的氮矿化作用和土壤呼吸作用，而在较干燥（减雨）的土壤环境中则有所减少，进而增加了土壤中氮的限制。因此，在温暖和干燥的环境中，可以弥补土壤中的缺少的氮，而在温暖和潮湿的土壤条件下，升高的氮可以进一步增强对土壤微生物生长的消极影响。此外，在相对较低的氮水平和干燥的土壤足够潮湿时，在较高的CO2下植物输入土壤中的投入也可能在氮增加时成倍增加。

土壤微生物和线虫是土壤中最丰富且有着较高多样性的生物，调节着地球生物化学循环进程，有着重要的生态服务功能。通过研究活性土壤微生物生物量及其细胞外酶活性（EEA）能够了解土壤微生物的反应。微生物生物量是土壤中的重要生物学特性，当其发生改变时，会影响许多与土壤有关的过程和功能，例如固碳和养分动态。探索细胞外酶促反应的反应，可以更加了解土壤中的微生物介导过程（如营养矿化）如何随全球变化因素而变化。

荷兰生态研究所陆地生态系统生态学系Madhav P.Thakur和明尼苏达大学森林资源系Peter B. Reich等人在美国明尼苏达州的温带草原设置了长期试验样地TeRaCON (Temperature, Rain, CO2, and N)。样地内栽植包括4种功能群在内的9种植物（光合途径：C3草本，C4草本；生活型：非禾本科草本，固氮的豆科植物）。1997年在样地内设置了CO2（对照和增加180 ppm浓度的CO2）和氮处理（对照和2倍N添加），2007年和2012年分别设置减雨（对照和45%减雨）和增温（对照和1000-W加热器）。分别在2012、2013、2014和2015年进行土壤取样，测定了土壤微生物呼吸、生物量、线虫群落和土壤胞外酶活性等参数。

他们发现，整体变化因子之间的相互作用强烈地影响着土壤酶的活性及其生态化学计量。特别是，升高CO2，减雨和变暖之间的相互作用降低了土壤中碳磷吸收酶以及氮磷吸收酶的比例，表明土壤中有机磷的分解相对增加。线虫群落的通路指数表明，升高CO2，减雨和变暖之间的相互作用改变了土壤中的主要分解途径（在未来的环境中朝着细菌主导的能量通道）。此外，施肥、减雨和升温之间的相互作用增强了酸性磷酸酶活性（与P循环有关）。施氮和CO2不变的时，线虫密度增加，而氮和CO2同时升高时，线虫密度与对照组没有差异。微生物生物量的变化主要受CO2和温度升高的影响。该研究结果揭示了全球变化因素主要通过改变土壤微生物对养分的需求以及改变土壤群落结构和能量通道的方式（相加和相互作用）影响土壤生物对各种变化的响应。

该项研究结果以“Soil microbial, nematode, andenzymatic responses to elevated CO2, N fertilization, warming, andreduced precipitation”为题，于2019年5月发表在Soil Biology & Biochemistry上。（IF=5.29）

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