土壤微生物残体碳 (MRC) 是土壤碳库的重要组成部分，是调节土壤碳库对降水变化响应的敏感因子。然而，在区域尺度的草原生态系统中，土壤微生物残体碳对极端干旱与湿润的响应及其机制尚不明确。本研究依托中国草原生态系统的降水变化联网控制实验平台，分析了极端干旱及湿润对草原生态系统土壤微生物残体碳的影响及其机制，揭示了极端干旱 (-50%降水) 导致土壤微生物残体碳含量降低了8%，而极端湿润 (+50%降水) 导致土壤微生物残体碳含量降低更多，为24%，这一结果挑战了以往草地生态系统中增加降水促进土壤微生物残体碳积累的传统观点。研究基于中国高寒和温带草原生态系统建立的降水变化联网控制实验完成，可为了解不同降水情景下微生物残体碳的变化提供重要依据，并强调了在气候变化背景下预测草地土壤碳动态变化时需要考虑不同降水情景。这一研究结果于2025年7月发表在环境科学与生态学领域国际知名期刊 Global Change Biology (IF: 12.0)。
图1 采样点的地理位置 (a) 和野外降水处理实验 (b)
研究依托中国九个高寒及温带草原生态系统的降水变化联网控制实验 (-50%降水、对照、+50%降水)，定量评估了极端干旱和湿润下土壤微生物残体碳的响应差异，并确定了关键驱动因子。结果表明，极端干旱 (-50%降水) 使土壤微生物残体碳含量平均降低了8% (图2)。相比之下，极端湿润 (+50%降水) 导致土壤微生物残体碳含量平均下降24% (图2)。在极端干旱下，植物生物量的减少抑制了土壤微生物残体碳的形成，而土壤微生物氮水解酶则加速了土壤微生物残体碳的分解 (图4和5)。此外，研究还发现，在干旱处理下，较湿润生态系统中的土壤微生物残体碳损失比较干旱生态系统更为显著 (图4和5)。在极端湿润下，土壤微生物氮限制加剧使得微生物氮水解酶活性增强，从而加速微生物残体碳的分解和利用，最终导致其含量降低 (图4和5)。
图2 降水变化对各站点土壤微生物残体碳 (MRC) 的影响 (a), 土壤 MRC 对降水变化的平均响应 (b)
研究发现，在 -50%Pre 处理下，净初级生产力（ANPP）下降了20.6% ± 10.0%，土壤含水量（SWC）下降了15.8% ± 2.4%，β-葡萄糖苷酶（βG）酶活性下降了35.4% ± 4.2%，N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG）酶活性下降了25.0% ± 4.6%，磷酸酶（AP）酶活性下降了11.3% ± 5.2%，微生物氧化酶活性下降了42.0% ± 3.9%（图3）。此外，可溶性有机碳（DOC）增加了6.0% ± 3.6%，总磷（TP）增加了6.8% ± 2.6%，细菌生物量增加了16.4% ± 4.4%，真菌生物量增加了18.0% ± 4.8%，微生物总生物量增加了16.6% ± 4.4%，亮氨酸氨基肽酶（LAP）酶活性增加了27.9% ± 5.4%（图3）。
在 +50%Pre 处理下，土壤含水量（SWC）增加了8.4% ± 3.3%，pH值增加了3.2% ± 1.0%，可溶性有机碳（DOC）增加了12.1% ± 3.4%，全氮（TN）增加了5.4% ± 2.5%，细菌生物量增加了17.8% ± 3.1%，真菌生物量增加了21.0% ± 3.6%，微生物总生物量增加了18.8% ± 3.0%，N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG）酶活性增加了18.6% ± 5.7%，亮氨酸氨基肽酶（LAP）酶活性增加了28.3% ± 3.5%，磷酸酶（AP）酶活性增加了8.9% ± 5.5%。同时，+50%降水处理显著降低了土壤有机碳（SOC）6.1% ± 3.1%，β-葡萄糖苷酶（βG）酶活性降低了20.1% ± 3.6%，微生物氧化酶活性降低了13.6% ± 5.0%（图3）。
图3 植物，土壤和微生物变量对降水变化的响应
研究发现，在 −50%Pre处理下，气候变量、植物变量响应、土壤变量响应和微生物变量响应共同解释了MRC响应93.9%的变异性（图4a）。在这部分可解释的变异中，微生物变量响应和土壤变量响应的贡献分别为47.4%和44.7%，其次是气候变量和植物变量响应（图4a）。此外，模型平均结果表明，ANPP响应、DOC响应、TN响应、AN响应和TP响应对MRC响应具有显著的正向影响（图4b）。而干旱指数和微生物NAG酶活性响应对MRC响应具有显著的负向影响（图4b）。因此，干旱指数、ANPP响应、DOC响应、TN响应、AN响应、TP响应、微生物NAG酶活性响应及其相互作用的综合影响能够更好地解释−50%降水处理下MRC的响应（图4b）。
在 +50%Pre处理下，气候变量、植物变量响应、土壤变量响应和微生物变量响应共同预测了MRC响应73.5%的变异（图4c）。在这部分可解释的变异中，微生物变量响应和土壤变量响应的贡献分别为51.1%和44.5%，其次是植物变量响应和气候变量（图4c）。此外，模型平均结果显示，DOC响应和TN响应对MRC响应具有显著的正向影响（图4d）；而pH响应、真菌/细菌比响应、NAG酶活性响应和LAP酶活性响应对MRC响应具有显著的负向影响（图4d）。因此，DOC响应、TN响应、pH响应、真菌/细菌比响应、NAG酶活性响应和LAP酶活性响应及其相互作用的综合影响，能够更好地解释+50%降水处理下MRC的响应（图4d）。
图4 多个变量对土壤微生物残体碳响应的相对影响 (-50% Pre: a, b, +50% Pre: c, d)
图5 土壤微生物残体碳对降水变化 (-50%Pre, +50%Pre) 的响应机制示意图
中国科学院地理科学与资源研究所于颖超博士生为第一作者，北京林业大学庾强教授和中国科学院地理科学与资源研究所张心昱研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金 (32588202, 32241033, 42494823, 42261144688) 项目的资助，并且得到中国科学院地理科学与资源研究所-西藏那曲高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站、中国科学院西北高原生物研究所-青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站、中国科学院西北生态环境资源研究院-乌拉特荒漠草原研究站、中国科学院植物研究所-内蒙古锡林郭勒草原生态系统国家野外科学观测研究站、山西农业大学-山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站、宁夏大学-宁夏盐池县荒漠草原生态系统定位观测研究站和中国农业科学院-内蒙古呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究平台的大力支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1111/gcb.70353
