SCI论文阅读分享GCB微生物对冬季变暖的代谢反应稳定了土壤碳

　　写在前面
　　不积跬步无以至千里
　　原文标题：Microbial metabolic response to winter warming stabilizes soil carbon
　　参考译文：微生物对冬季变暖的代谢反应使土壤碳稳定
　　DOI：10.1111/gcb.15538
　　文章切入点：通过量化微生物对典型高山草甸的季节性变暖的反应实验，研究了在西藏高原上观察到的无法解释的土壤SOC稳定性成因。
　　01  Abstract
　　Current consensus on global climate change predicts warming trends with more pronounced temperature changes in winter than summer in the Northern Hemisphere at high latitudes. Moderate increases in soil temperature are generally related to faster rates of soil organic carbon (SOC) decomposition in Northern ecosystems, but there is evidence that SOC stocks have remained remarkably stable or even increased on the Tibetan Plateau under these conditions. This intriguing observation points to altered soil microbial mediation of carbon‐cycling feedbacks in this region that might be related to seasonal warming. This study investigated the unexplained SOC stabilization observed on the Tibetan Plateau by quantifying microbial responses to experimental seasonal warming in a typical alpine meadow. Ecosystem respiration was reduced by 17%–38% under winter warming compared with year‐round warming or no warming and coincided with decreased abundances of fungi and functional genes that control labile and stable organic carbon decomposition. Compared with year‐round warming, winter warming slowed macroaggregate turnover rates by 1.6 times, increased fine intra‐aggregate particulate organic matter content by 75%, and increased carbon stabilized in microaggregates within stable macroaggregates by 56%. Larger bacterial ＂necromass＂ (amino sugars) concentrations in soil under winter warming coincided with a 12% increase in carboxyl‐C. These results indicate the enhanced physical preservation of SOC under winter warming and emphasize the role of soil microorganisms in aggregate life cycles. In summary, the pergent responses of SOC persistence in soils exposed to winter warming compared to year‐round warming are explained by the slowing of microbial decomposition but increasing physical protection of microbially derived organic compounds. Consequently, the soil microbial response to winter warming on the Tibetan Plateau may cause negative feedbacks to global climate change and should be considered in Earth system models.
　　02  参考译文
　　在高纬度地区，北半球冬季气温变化（频繁）比夏季更明显的观点在目前关于全球气候变化的预测中达成共识。北部生态系统中土壤温度的适度升高通常与土壤有机碳分解速率加快有关，但有证据表明，在这些条件（土壤温度适量增加）下，青藏高原土壤有机碳储量（却）保持了显著稳定甚至增加。这一有趣的观察结果表明，该地区土壤微生物介导的碳循环反馈的改变，可能与季节变暖有关。本研究通过量化微生物对典型高山草甸的季节性变暖的反应实验，研究了在西藏高原上观察到的无法解释的土壤SOC稳定性成因。与常年增温和不增温相比，冬季增温使生态系统呼吸减少了17% ~ 38%，这与调控不稳定和稳定有机碳分解的真菌和功能基因丰度减少（趋势）相吻合。与全年变暖相比，冬季变暖使大团聚体周转率降低1.6倍，细颗粒内颗粒有机质含量提高75%，稳定大团聚体内微集料中的碳稳定增加56%。冬季变暖条件下，土壤中更大的细菌＂坏死体＂(氨基糖)浓度与羧基‐C增加12%的趋势相一致。这些结果表明，在冬季变暖下加强了土壤SOC的物理保护，并强调了土壤微生物在总生命周期中的作用。综上所述，与全年变暖相比，冬季变暖对土壤有机碳持久性的不同响应可以解释为微生物分解的减缓，但微生物衍生有机化合物的物理保护增强。因此，青藏高原土壤微生物对冬季变暖的响应可能对全球气候变化产生负反馈，应在地球系统模型中加以考虑。
　　03  前言观点及假设
　　研究重要性：
　　1、青藏高原上冬季土壤增温这种＂非对称季节性变暖＂十分明显；
　　2、青藏高原有机碳库占全球的2-3%，该地区对全球增温的响应更加明显，在全球变暖趋势下青藏高原SOC库的调控因素需进一步进行研究，；
　　3、尽管矿物伴生碳具有公认的稳定性，但它很容易受到气候变化的影响。
　　4、在变暖的西藏高原上观察到的土壤稳定的趋势可能是气候对土壤物理、生物地球化学和微生物过程的影响的产物。
　　5、模拟气候变化的控制实验通常适用于统一的变暖处理方法，但这并不能确定在高纬度地区观测到的不同季节变暖的潜在生态影响；
　　文章假设：
　　1、青藏高原的SOC稳定是由于冬季变暖对土壤碳循环功能微生物群落改变导致。
　　04  实验设计
　　实验设计：
　　本文选取的样点有12个样地，3个处理4个重复，1米X1米大小，3个处理：全年增温、冬季增温和不增温，测0-20cm土层。
　　测定指标：
　　生态系统呼吸（Reco）、铵氮、硝氮、pH、SOC、TN、无机碳、团粒体粒度分级、葡萄糖胺、半乳糖胺和糠酸等；
　　微生物引物：细菌16S rRNA：515F (5ʹ-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3ʹ) 和909R (5ʹ-CCCCGYCAATTCMTTTRAGT-3ʹ)；真菌ITS1(5ʹ-CTTGGTCATTTAGGGAAGTAA-3ʹ) 和 2043R (5ʹ-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3ʹ).
　　05  图表构成
　　图S4、图上的小点是2012年6月至2015年5月每个地块的月平均土壤温度(°C)和湿度(v/v):控制:灰色圆圈，全年变暖:橙色正方形，冬季变暖:蓝色三角形。大的符号是实验持续时间的平均值。生长期和非生长期的平均值分别用图中右上和左下的大符号表示。水平方向和垂直方向的误差条分别为土壤湿度(v/v)和温度(°C)的误差条。曲线是根据月平均土壤温度和湿度用对数函数拟合的(黑线表示控制，蓝线表示冬季增暖，红线表示全年增暖)。两个箭头表示温度的平均升高(∆T)和土壤湿度的下降(∆moisture)。
　　注：由于本图为第一段结论，所以将其放在这里。
　　图1、变暖对土壤化学（a-c）、c通量（生态系统呼吸Reco）(d)和有机物官能团的影响（e）。
　　表1、增温处理对土壤团聚体粒径比例及有机碳含量的影响。
　　图3、3年的不同处理土壤呼吸速率月变化和年变化以及总体均值。
　　图2、土壤变暖对(a)细菌和(b)真菌丰度和(c)细菌/真菌比例的影响.
　　图3、不同处理土壤微生物群落中显著丰富的细菌(a)和真菌(b)类群的LEfSe分析。在进化分枝图中，由内向外辐射的圆代表了从门到属的分类水平。不同分类级别上的每个小圈代表该级别上的一个分类。不同颜色的节点表示对应组中显著富集的类群(红色表示对照，绿色表示冬季增暖，蓝色表示全年增暖)，黄色节点表示差异不显著的类群。对数LDA评分的阈值为2.0。
　　LEfSe分析，线性判别分析效应大小分析（Linear discriminant analysis effect size），这是一种细菌和真菌内实验组与对照组间的差异性分析。
　　图4、土壤增温对氨基糖丰度(a、b)、细菌、真菌和总残留碳(c、d、e)以及细菌/真菌残留碳(c)的影响。
　　图5、细菌和真菌残留碳与土壤团聚体组分的关系。
　　图6、土壤变暖对功能性微生物群落(a)和碳降解基因(b)的影响。
　　图7、生态系统呼吸的部分最小二乘路径分析，显示了选定的生物地球化学过程、微生物群落组成和功能基因丰度之间的关系。
　　06  思路总结
　　研究不同增温处理对土壤呼吸的影响，解释青藏高原土壤SOC稳定的原因。通过构建土壤物理性质（土壤粒径分级、团粒体碳等）、功能微生物（真菌和细菌）、土壤呼吸间的关系。当然，这只是总结一个个人理解的大概思路，其实原文中所做的工作远不止这些，这种思维角度值得深入学习。