原名：Resource limitation and modeled microbial metabolism along an elevation gradient
譯名：微生物資源限制和模擬代謝活性沿海拔梯度的變化規律
期刊：Catena
IF：5.198
發表時間：2021.10
第一作者：Zhang, SH
摘要
土壤微生物對全球碳—氣候反饋具有重要影響，同時其代謝活性通常受到養分有效性的限制。海拔變化對土壤微生物群落具有重要影響，但其對微生物資源限制的影響及其對碳動態的調控機制尚未闡明。本研究中，我們在秦嶺（Qinling Mountains）沿海拔梯度從1308 – 2600 m之間設置了6個梯度進行土壤取樣，通過測定和計算胞外酶化學計量比并模擬微生物代謝以揭示土壤微生物沿海拔梯度的資源限制特征和主要代謝過程（如：有機碳分解速率和微生物呼吸速率）的變化規律。還測定了年平均氣溫（MAT）、年平均降水量（MAP）、土壤總C:N:P比值、土壤有效養分以及微生物生物量等環境指標。結果表明：該地點的土壤微生物均受到N限制，并且隨著海拔升高，土壤微生物N限制顯著增強。隨著海拔升高，有機碳分解速率（M）和微生物呼吸速率（Rm）顯著降低。這表明，由海拔變化引起的溫度升高可能緩解了微生物N限制并導致土壤C釋放增加。冗余分析（RDA）表明，MAT和土壤養分化學計量比（尤其是DOC:TDN）是解釋土壤微生物資源限制特征和主要代謝過程沿海拔梯度變化的主要環境因子。綜上，本研究表明，由于土壤C:N比值的變化，高海拔地點的微生物遭受更強的N限制，可能有利于土壤有機碳積累，該結果為氣候變暖背景下微生物介導的土壤C釋放過程提供了見解。
研究背景
溫度是微生物代謝過程的主要驅動因子并決定了微生物利用養分的能力。因此，了解微生物過程如何響應溫度變化，對于預測氣候變化對微生物養分獲取的影響具有重要意義。隨著海拔升高，環境溫度下降，因此沿海拔梯度取樣有助于闡明微生物養分獲取和代謝特征對溫度變化的響應機制。盡管一些研究已經表明微生物特性對海拔引起的溫度變化響應十分敏感，而這種響應直接受到海拔變化引起土壤養分有效性變化的影響。但海拔變化對微生物資源限制和代謝特征的具體影響機制還未闡明。為了理解微生物資源的限制和微生物代謝過程，并揭示其沿海拔梯度變化的潛在機制，我們在中國太白山（Taibai Mountain of China）進行了沿海拔梯度的土壤取樣。并提出以下假設：1.該地區的土壤微生物可能受到N和P限制的影響，且N和P限制相對影響可能隨著海拔變化而變化；2.土壤微生物資源限制和主要微生物過程可能受到氣候因素的間接影響，但主要受有效養分和微生物生物量的直接影響。
主要結果
1.?植物特性和土壤理化性質沿海拔的變化
植物特性和土壤理化性質在不同海拔梯度具有顯著差異。具體地，植物葉片和根組織C、N和P濃度在中間海拔梯度最高，但C:N:P計量比沿海拔梯度沒有顯著變化。高海拔梯度的土壤C:N比值尤其是DOC:TDN顯著高于低海拔區域，土壤濕度（SM）隨海拔升高而增加。
2.?土壤胞外酶化學計量比微生物資源限制
結果表明，ln(BG):ln(NAG + LAP)和ln (BG):ln(AP) 比值沿海拔梯度顯著降低。但ln(NAG + LAP):ln(AP)比值顯著增加（圖2a, 2b和2c）。并且，所有樣點均分布于圖3a 的1:1線之下，圖3c 的1:1線之上，表明該研究區域的土壤微生物普遍受到強烈N限制（圖3c）。海拔對微生物代謝特征具有顯著影響（圖3d和3e）。向量長度（Vector lengths與微生物C限制程度正相關）在1308 m處為1.47 ±?0.1，在2292 m處為1.35 ±?0.1。向量角度（Vector angles）均小于45°，并沿海拔梯度顯著降低，表明微生物N限制沿海拔梯度增強。
圖2 土壤胞外酶化學計量沿海拔梯度的變化規律
圖3?土壤微生物沿海拔梯度的資源限制變化規律
3.?有機碳降解和微生物呼吸模擬
結果表明，有機碳降解速率（M）隨海拔升高而顯著降低，微生物呼吸速率（Rm）則是先增加再降低（圖4）。
圖4?模擬微生物代謝過程沿海拔梯度的變化規律
4.?環境變量共同調節微生物資源限制、有機碳降解速率和微生物呼吸速率
有機碳降解速率和微生物呼吸速率在海拔梯度上與資源有效性顯著相關。具體地，平均向量長度和向量角度隨著SOC降解速率和微生物呼吸速率升高而增加（圖5）。RDA分析表明，土壤養分化學計量比（總養分和有效養分）對土壤微生物資源限制特征變化的貢獻大于氣候因子（MAT和MAP）和植物葉片和根組織化學計量比的貢獻。特別地，土壤有效養分比值比總養分比值的影響更大。RDA分析還表明，土壤有效養分比值和氣候因子可以解釋大部分有機碳降解速率和微生物呼吸速率的變異。
圖5?微生物代謝過程與資源限制特征之間的關系
圖6?環境變量對微生物資源限制特征變化的貢獻
圖7?環境變量對微生物代謝過程變化的貢獻
結論
隨著海拔升高，土壤微生物N限制增強，同時有機碳降解速率和微生物呼吸速率下降。該結果表明在全球變暖背景下，高海拔地區土壤微生物N限制可能得到緩解并最終增加土壤C損失。土壤C:N比值尤其是DOC:TDN是預測土壤微生物N限制以及有機碳降解速率和微生物呼吸速率的關鍵因子，該結果表明土壤微生物N限制可能通過改變土壤C、N平衡進而決定土壤C動態。因此，在全球氣候變化背景下，我們的研究強調了需要將酶介導的微生物降解過程作為改進土壤碳動態預測模型的一種手段。
<tt id="l9rdq"></tt>