编译：微科盟艾奥里亚，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。
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导读
土壤微生物群落在全球生物地球化学循环中起到调节作用，并对不断变化的环境条件做出快速响应。然而，了解土壤微生物群落如何响应气候变化，以及这如何影响生物地球化学循环，仍然是一个重大挑战。高山地区的气候变化速度是全球平均水平的两倍，这会使得积雪将大幅减少，春季积雪将提前融化，这一特点使得相关研究在该地区显得尤为重要。本研究中，我们发现春季融雪引发了高寒草原土壤微生物群落组成的突变，这种突变与土壤微生物功能、生物地球化学库和通量的变化密切相关。此外，通过实验调控积雪的覆盖情况，我们表明，积雪融化驱动了大范围微生物和生物地球化学土壤性质的这种突然的季节性转变。之前的冬季条件并没有改变融雪期间发生的过程。我们的发现强调了季节动态对土壤微生物群落及其调节生物地球化学循环的重要性。此外，我们的发现表明，气候变化导致的早期春积雪融化将对这些全球广泛分布的高山生态系统中的微生物群落和养分循环产生深远的影响。
原名：Climate change alters temporal dynamics of alpine soilmicrobial functioning and biogeochemical cycling via earlier snowmelt
译名：气候变化通过早期融雪改变了高山土壤微生物功能和生物地球化学循环的时间动态
期刊：The ISME Journal
IF：9.180
发表时间：2021.02.22
通讯作者：Arthur A. D. Broadbent
通讯作者单位：英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）
本研究实验样地选址于近奥伯古格尔（Obergurgl）的一处高山草原。在该地点，本研究选取了15个5 m×5 m的样地，随机分配三个处理（每个处理5个样地）：去除雪处理，添加雪处理以及未处理的空白样地。整个试验周期共进行4次积雪调控处置，每次采用吹雪机或铲子将去除雪地块的雪清除至一个<10 cm深的地块上，随后再将这部分雪均匀的添加在添加雪处理的地块中，而未处理的空白样地未做任何干扰。试验期间我们记录了每个地块的确切融化日期，即融雪时间。通过记录我们发现，积雪调控处理改变了融雪时间，并对土壤温度和水分产生了明显的影响。我们在跨2017年冬末到夏初的季节性过渡的6个时间节点进行取样，即冬末（3月28日；“冬季28/3”），融雪期间（6月1日和8日，分别为“融雪1/6”和“融雪8/6”），春季（6月12日和18日，分别为“春季12/8”和“春季18/6”），以及初夏（7月8日；“夏季8/7”）。为了避免边缘效应，每次取样均选在在距地块边缘至少1 m处。每次采样时在可能的情况下，使用钢质取样器从每个样地的五个随机选择的位置采集直径2 cm，深7 cm的土芯（有些土芯在土壤冻结时采样深度较浅），每次取样后取出植被以及凋落物，然后混合均匀。每块样地另采集5个约200 mg的子样品，在现场裂解，然后-80°C保存，用于进行分子实验。其余土壤样品过4 mm筛，用于酶和生理生化分析。无论是土壤细菌和真菌群落的丰度和组成，还是催化C和N循环关键过程的酶基因的相对丰度和潜在酶活性，都表现出明显的冬季到夏季的过渡。此外，土壤微生物群落组成和功能伴随着生物地球化学库和通量的变化而变化。基于磷脂脂肪酸（PLFA）技术对土壤真菌和细菌进行标记，我们发现，土壤中活跃的微生物生物量从冬末到夏季下降了88%，其中真菌和细菌都表现出类似的下降（图1a-b）。在整个采样期间，细菌比真菌更丰富，这一现象在融雪期间尤为明显，与此同时，我们还发现，相较于革兰氏阳性菌来说，革兰氏阴性菌更占有优势。用分子标签（molecular barcoding）方法评估的土壤微生物群落组成表明，细菌和真菌在目水平上在季节之间存在明显差异（图1c-d）。值得注意的是，从冬季到夏季，Acidobacteriales的相对丰度增加了301%，其相对丰度位居第二。相比之下，Actinomycetales（冬季期间相对丰度第二的细菌目），从冬季到夏季其相对丰度下降了42%。在真菌界，从冬季到夏季，在目水平上，Pleosporales、Atheliales和Pezizales的相对丰度分别降低了50%、71%和88%，而Geminibasidiales的相对丰度增加了8000%以上。从冬末到夏季，主要与根相关的真菌目Helotiales的相对丰度增加了93%，并成为优势真菌目。
图1 季节转变和积雪处理对土壤微生物群落组成的影响。基于PLFA技术对土壤真菌（a）和细菌（b）丰度进行标记，其中图中仅显示具有显著差异的微生物类群（p<0.05）；c-d分别代表细菌（c）和真菌（d）在目水平上的平均相对丰度。土壤微生物群落组成的季节变化伴随着潜在微生物功能的显著变化。参与N循环关键途径的各种酶编码基因的相对丰度在夏季显著增加（图2a）。此外，包括氨氧化古菌（AOA）基因amo A、amo B和amo C在内的硝化基因，以及包括nxr A和nxr B在内的亚硝酸盐氧化基因都有较大的增加（图2a）。固氮基因（nif K）、反硝化基因（nir K和nos Z）、硝酸盐还原基因（NR、nar H和nar I）和有机氮合成基因（gdh_K00261和gdh_K00262）基因的相对丰度也有小幅度但显著的增加。同样，对C循环起重要作用的纤维二糖水解酶（CBH）、β糖苷酶（GLC）和β木糖苷酶（XYL）的9个亚族的相对丰度在夏季增加，而在7个GH43亚族中，仅XY1的相对丰度在夏季下降。
图2 基于基因相对丰度所重新构建的完整的氮循环途径。a中每条通路代表夏季与冬季之间的log比值，其中白色方框代表未发生改变，红色方框代表夏季所表现出较高的潜力，而蓝色方框代表冬季所表现出较高的活性；b代表不同季节氮循环基因的分布和丰度（左）以及融雪处理下氮循环基因的分布和丰度（右），不同的途径用不同的颜色描绘，圆圈的大小表示基因的相对丰度大小。与C循环有关的大多数酶活性和磷酸酶（PHO）活性在夏季都提高了118-274%。然而，与冬季相比，它们的潜在活性在夏季有所下降。潜在的脲酶（URE）和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性也有类似的下降（图3a）。相反，夏季所检测到的酚氧化酶（POX）和过氧化物酶（PER）的潜在活性比冬季增加了50%以上（图3b），而它们的微生物生物量特异性活性增加了1000%以上。土壤呼吸是衡量土壤活动的一个综合指标，在积雪融化后直接达到最高，但在夏季下降。
图3 季节转换以及积雪处理对土壤胞外酶活性的影响。a-b分别代表脲酶（a）和酚氧化酶（b）的潜在酶活性。伴随着观察到的土壤微生物群落组成和功能的变化，土壤性质也发生了明显的转变。在冬末至夏季期间，土壤pH值（从6.8降至4.9）、有效NH4+（降低了99%）、可溶性有机氮（DON，下降了83%）、可溶性总有机碳（DOC，下降了92%）和土壤含水量（下降了44%）都有较大幅度的下降（图4a-c）。相反，与冬末相比，夏季速效NO3-和DON与速效无机氮的比值分别增加了46%和329%（图4d）。此外，在25°C的实验条件下培养14天期间，氨化速率和硝化速率分别从冬季的-22±4和60±7 µg N g-1干重/天变化到夏季的1.7±0.2和-0.4±0.1 µg N g-1干重/天。
图4 季节转换以及积雪处理对土壤性质和pH的影响。a-d分别代表土壤pH（a），铵态氮浓度（b），可溶性有机氮（c）和硝态氮浓度（d）。积雪调控处理显著影响了土壤微生物群落组成、功能和生物地球化学循环的时间。与对照和加雪处理相比，除雪处理使融雪时间平均提前了3天和10天。与对照相比，除雪导致微生物生物量的提前降低以及群落组成的提前改变，这与URE、NAG、GLC、CBH和XYL潜在活性（图3a-b）、土壤pH和有效NH4+（图4a-b）的提前降低有关。与加雪处理相比，除雪处理持续降低了微生物生物量特定脲酶活性，并持续增加DON与有效无机氮之间的比率。虽然我们检测到了一些对积雪调控具有响应的基因，但是这些基因的相对丰度并没有受到积雪调控的强烈影响。参与碳和氮循环的基因在夏季显示出明显较高的相对丰度（例如，amo A、amo B和amo C；图2a），同时这一现象同样发生在融雪期间的除雪处理中（图2b），而在冬季显示较高相对丰度的基因往往在融雪期间（1/6）的加雪处理中也表现出较高的丰度。在第二次采样期间（融雪1/6），融雪时间显著（p<0.05）解释了22个实测土壤参数中40-85%的变异（该采样时间恰恰对应着大部分样地发生积雪融化，也恰恰是处理间差异最大的时间点）。这些指标包括：总生物量、真菌生物量和细菌生物量；真菌相对于细菌的丰度；细菌目Ellin6513和Ellin5290以及真菌目Pezizales和Geminibasidies的相对丰度；六种酶的潜在活性（URE、NAG、PHO、CBH、XYL和GLC）；POX和PER的微生物生物量特异性活性；以及包括pH、DOC、有效NH4+在内的一系列土壤非生物性质。在该时间点（融雪量的1/6），80%的除雪处理的样地已经完全融化，而添加积雪处理的样地还没有融化。
图5 在季节转换期间，融雪时间对土壤微生物群落组成、功能和生物地球化学循环的影响。a-h分别代表基于PLFA标记的真菌（a）和细菌（b）丰度，土壤碳氮比（c），土壤pH（d），土壤铵态氮浓度（e），土壤可溶性有机氮含量（f），土壤脲酶活性（g）以及NAG酶活性（h）。前冬季条件对土壤微生物或生物地球化学过程无显著影响，与融雪时间无关。在我们测量的所有参数中，01/06的去积雪处理、08/06的对照处理和12/06的添加积雪处理之间没有显著差异（图1-4，p<0.05）。我们的数据表明，高寒草原春季融雪引发了土壤微生物群落组成的突变，并伴随着一系列土壤微生物功能、生物地球化学库和通量的同步变化。我们的发现还表明，高山地区气候变化会导致积雪覆盖的减少，进而促进这种季节性的转变。本研究发现，融雪时间的相对适中的提前在生态学上具有十分重要的意义，但预计在本世纪末会有更极端的融雪时间提前。我们的发现表明，未来融雪时间的这些进展将对全球广泛分布的高寒草原的C和N通量、植物群落组成和生态系统生产力产生深远的影响。本通过探究田间条件下土壤微生物群落组成的时间变化，将其与土壤微生物功能和生物地球化学循环的变化明确地联系在一起，从而促进了对微生物生态学和生物地球化学的理解。冬季较高的微生物生物量与较高的土壤酶活性潜力有关。这表明，与其他生态系统一样，即使在积雪覆盖下，高山草原中关键的微生物介导的生物地球化学过程也一直在持续进行。本研究结果表明，冬季土壤微生物群落有助于分解包括木聚糖，纤维素以及几丁质在内的有机化合物。此外，冬季土壤微生物群落中的优势微生物类群与他们的功能息息相关。具体而言，真菌Thelebolales目，细菌Actinomycetales和Bacilliales目都与纤维素降解密切相关。纤维素纤维很难直接接触到，但真菌和纤维素分解放线菌的菌丝生长可以穿透植物细胞壁的毛孔，从而使纤维素酶与纤维素聚合物紧密接触。冬季潜在酶活性较高，夏季微生物生物量特异酶活性较高。这表明，高微生物生物量可能解释了冬季潜在的高酶活性，但微生物通常在夏季更多地用于酶的生产，尤其是木质素降解酶POX和PER。本研究所采用的缓冲溶液的pH值（5.0）与夏季土壤原位pH值（平均值=4.9）非常接近，但低于冬季土壤的pH值（平均值=6.8）。考虑到土壤pH对酶活性的影响，我们在冬季和融雪期间的加雪处理中相较于夏季的结果可能会存在存在些偏差（图4a）。尽管如此，在积雪覆盖下的稳定的土壤温度和水分，高底物利用性，高微生物生物量表明，虽然土壤酶的原位酶活速率可能低于实验室测量的速率，但冬季的总酶活性仍保持较高水平。夏季土壤微生物群落组成与夏季发生的关键功能密切相关。具体而言，与酸性土壤和木质素降解密切相关的Acidobacteriales和Solibacterales在土壤中占主要优势地位。这恰恰解释了为什么在夏季，木质素降解酶POX和PER具有较高的潜在活性。木质素降解可能反映出，由于严重的氮限制，导致微生物会从更顽顽的有机质池中去利用氮，这与DON（−83%）和有效NH4+（−99%）的急剧下降相对应。我们还检测到参与硝化作用的基因相对丰度较高，尤其是AOA的amo A、amo B和amo C。AOA的重要性日益增加可能反映了夏季较低的土壤pH以及冬季积累的大量NH4+驱动的融雪后所存留的高硝化作用。考虑到硝化过程能够产生H+离子，而融雪过程中的高硝化速率可能是导致土壤pH大幅下降的原因之一。由于融雪期间细菌和真菌丰度，DON以及NH4+的降低，导致了我们在夏季观察到微生物生物量和土壤氮有效性大大降低。除微生物生物量和土壤N有效性下降外，融雪还引发微生物组成、参与C和N循环的潜在酶活性（例如URE、NAG、CBH、XYL和GLC）以及土壤pH的变化。研究结果表明，春季融雪在控制土壤微生物群落组成的时间动态中起着核心作用，而土壤微生物群落组成的时间动态与高寒草原田间条件下土壤氮素循环的变化密切相关。我们的发现表明，春季融雪时间的变化改变了高寒草原土壤微生物群落组成、功能和生物地球化学循环的季节性转变的时间。但在本研究中，我们并没有发现前冬季条件会对融雪期间发生的微生物和生物地球化学过程造成影响。相反，冬季积雪减少对生态产生影响的主要机制是由于较早的融雪导致了土壤微生物群落和生物地球化学循环较早的转变。随着积雪的减少，土壤微生物群落组成、功能和生物地球化学循环的季节性转变可能会更早发生，这提高了我们对土壤微生物对气候变化响应的理解。高寒地区冬季土壤微生物群落发挥着重要生态系统功能，如分解复杂的凋落物残留物，以及与之相关的高土壤DON和有效NH4+的积累，但在未来的气候变化条件下，这些功能很可能会降低。这可能会导致季节性土壤N通量与春季植物开始生长之间潜在的不匹配，从而影响生态系统的C和N通量。
基于本研究结果，我们发现，融雪期间土壤微生物群落组成的突变与一系列微生物功能和生物地球化学循环的变化密切相关，而这种季节性转变的突变主要由较早的积雪融化所驱动。考虑到气候变化预计将导致积雪减少和更早融雪，我们的结果表明，土壤微生物群落从冬季向夏季的过渡将在今年早些时候发生。这可能会导致季节性积雪生态系统的年度碳和氮通量发生变化。尽管我们实验调控所得到的融雪时间在生态学上具有显著差异，但相比于本世纪末的预测值，我们的数据也相对适中（最大提前天数为10天），而据预测欧洲阿尔卑斯山的融雪预计提前50-130天。这种规模的融雪时间变化可能会对这些脆弱的全球生态系统中的生物地球化学循环和植物生长产生深远的影响。
