《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Minor change in soil moisture induces abrupt shift in soil microbial community and methane emissions
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土壤湿度阈值30%触发甲烷微生物群落突变，使干旱草甸土壤从甲烷源转为汇。通过西北地区草甸梯度带脂质标记、宏基因组测序及功能基因分析，结合地球系统模型UKESM1预测，揭示土壤氧化还原态驱动甲烷氧化菌替代产甲烷菌的突变机制。全球变暖背景下，干旱区草甸甲烷汇强度将显著增强，可能通过突变阈值实现碳汇功能逆转。
Xinyue Dang|B.David A. Naafs|Merve Gorguner|Paul Valdes|Richard D. Pancost|Zhiyao Zhang|Shucheng Xie
中国地质大学地球科学学院地球微生物学与环境变化国家重点实验室，武汉430074，中国
摘要
人为气候变化影响了广泛的环境条件，包括降水量和土壤含水量。然而，其对关键生物地球化学过程及其相关反馈机制的影响，以及这些过程中的潜在临界阈值，目前尚不明确。在这里，我们利用中国西北部几个自然草原样带中的甲烷通量、脂质分布、测序和功能基因数据，来评估土壤含水量变化对草原土壤中甲烷循环的影响。草原生态系统在调节这种强效温室气体的浓度方面起着至关重要的作用。我们发现，当土壤含水量达到约30%的临界值时，土壤会从甲烷源突然转变为甲烷汇，这一变化是由古菌甲烷生成菌群被甲烷氧化菌群突然取代所驱动的。这种微生物群落的突然转变是由土壤氧化还原状态决定的，较干燥的土壤具有更高的氧气含量。随后，我们使用先进的地球系统模型（UKESM1）的结果表明，在各种人为气候变化情景下，21世纪湿润草原的面积将会减少，而干旱草原的面积将会增加。根据我们的数据，这些预测的草原湿度变化将导致草原向大气中排放的甲烷量减少。我们的结果强调了在人为气候变化的背景下，存在一种突然的反馈机制，这种机制有可能在不久的将来改变陆地甲烷循环的运作方式，并对碳排放目标具有影响，因此应该将其纳入未来的排放预测中。
引言
甲烷是一种重要的温室气体，其100年内的全球变暖潜力约为二氧化碳的30倍（Myhre等人，2014年）。人为因素导致其大气浓度升高，几乎达到了更新世背景值的三倍，这在过去250年中贡献了大约23%的额外辐射强迫（Saunois等人，2020年）。大气中的甲烷主要有三个汇：对流层中的光化学氧化、平流层中的甲烷损失，以及土壤中的微生物氧化，其中后者是唯一的生物汇（Shrestha等人，2012年）。在全球范围内，土壤中的甲烷氧化起着关键作用，因为它消耗了大约5-10%的大气甲烷，并阻止了地下产生的甲烷中有高达90%进入大气（Nazaries等人，2013年）。草原土壤是最重要的土壤汇之一（Wang等人，2014年），1981-2010年间平均每年消耗3.7（±1.4）太克（Tg）的甲烷（Yu等人，2017年）。因此，土壤甲烷汇的变化会影响碳预算、大气中的温室气体浓度以及地球的辐射预算。
土壤甲烷汇的强度在空间上和时间上都有所变化，因为土壤中微生物甲烷氧化的速率受到多种环境因素的影响，包括土壤含水量（SMC）（Jiang等人，2025年；Li等人，2015年；Nazaries等人，2013年；Shrestha等人，2012年；Smith等人，2000年；T?umer等人，2022年；Wang等人，2014年；Wang等人，2025年；Wuebbles和Hayhoe，2002年）。在干旱生态系统中，土壤含水量的作用尤为重要（Kannenberg等人，2024年）。人为气候变化已经影响了土壤含水量，并预计在21世纪剩余时间内将继续显著变化（Samaniego等人，2018年；Williams等人，2020年）。因此，它有可能影响土壤甲烷汇的强度，从而提供一个强大的反馈机制。然而，量化不同环境和土壤含水量下的甲烷汇一直很困难。此外，关于草原甲烷通量与土壤含水量（或降水量）之间的关系，在不同研究中的变化幅度和符号差异很大（Li等人，2016年；O’Connell等人，2018年；Shrestha等人，2012年；T?umer等人，2022年；von Fischer等人，2009年；Wang等人，2025年；Yu等人，2017年；Yue等人，2021年）。此外，导致土壤甲烷汇强度变化的潜在机制尚不清楚，因为大多数研究仅依赖于（短期的）甲烷通量测量，缺乏关于微生物群落变化的详细信息。这在多期刊联合出版的背景下尤为重要，这些出版物呼吁将微生物学的理解纳入对未来气候灾难的预测中（Peixoto等人，2024年）。
为了评估土壤甲烷循环对环境变化的响应，确定生物驱动因素，并对其对人为气候变化的未来响应提供见解，我们从中国西北部一个长达100米的自然土壤含水量梯度上的几个半干旱和干旱草原土壤样带中收集了样本（Dang等人，2016年）（图1）。这个土壤含水量梯度是由青藏高原青海湖东南侧的一个小湖泊——洱海的地表水渗透形成的。靠近湖泊的样本中的土壤含水量始终高于远离湖泊的样本。尽管现场测量的土壤含水量存在季节性变化（例如，冬季的绝对土壤含水量低于夏季），但这一梯度始终存在（Dang等人，2016年）。所有样本之间的距离都在100米以内，因此经历了相同的环境条件（例如温度）。因此，这个梯度为我们提供了高分辨率地限制土壤含水量对草原土壤中甲烷循环以及驱动土壤生物地球化学的微生物过程的影响提供了独特的机会。
材料与方法
我们简要总结了用于测量环境参数、提取和分析脂质及基因的方法，以及模型模拟的方法。有兴趣了解更详细信息的读者，请参阅补充材料以及Dang等人（2016年）中的方法部分。
环境参数
尽管细节和绝对值略有不同，但在我们不同的采样活动中，土壤含水量梯度始终存在且变化是渐进的：2014年7月（Dang等人，2016年）、2015年2月（Dang等人，2016年）和2020年8月。虽然土壤氧气含量的梯度也是稳定的，但从氧化状态到缺氧状态的转变发生在更短的距离内（图2C）。在离岸32米范围内，土壤氧气含量始终低于0.1%，然后突然从2%增加到约15%
土壤含水量的微小变化会引发土壤微生物群落和甲烷通量的突然转变
青海草原的负背景甲烷通量（表明甲烷汇）与我们样带中最干燥地点测得的通量相同，这与长期观察结果一致，即草原通常作为甲烷汇（Dutaur和Verchot，2007年；Mosier等人，1991年；Yu等人，2017年）。随着土壤变湿，甲烷汇的作用减弱，但通量仍然为负值。当土壤含水量达到约30%时，特别是在靠近湖岸的区域，从第5站点到第6站点，这一变化尤为明显
结论
根据沿土壤含水量梯度的甲烷通量数据，我们发现土壤含水量仅略有下降时，草原中的甲烷就从源转变为汇。在我们的数据中，这一临界值约为30%。基于脂质生物标志物和基因数据，我们证明了甲烷通量的突然转变与微生物群落从甲烷生成菌向甲烷氧化菌的转变之间存在关联，这一转变是由氧气含量的变化所驱动的。
CRediT作者贡献声明
Xinyue Dang：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、软件开发、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。B.David A. Naafs：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、资金获取。Merve Gorguner：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。Paul Valdes：撰写——审稿与编辑。Richard D. Pancost：撰写——审稿与编辑。Zhiyao Zhang：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢Han Zhixin、Zhu Xiuchang、Huang Miao和Li Zhiguo在野外工作的帮助，以及Yun Yuan和Ma Liyuan在遗传方法方面的指导。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42293294和41807317）、111项目（项目编号BP0820004）以及中国地质大学（武汉）的“CUG学者”科学研究基金（项目编号2022093）的支持。B.D.A.N.还获得了Tata大学皇家学会的资助
