大陆尺度上森林土壤中微生物碳氮利用效率的耦合温度敏感性

《Global Change Biology》：Coupled Temperature Sensitivity of Microbial Carbon and Nitrogen Use Efficiencies in Forest Soils on a Continental Scale

微生物碳氮利用效率（CUE和NUE）的Q10温度敏感性在12-28℃区间呈现显著差异：CUE从1.47（12-20℃）降至0.97（20-28℃），NUE从2.00降至0.93。两者Q10值高度相关且与微生物生长Q10正相关，表明温度响应协调由生长过程主导。驱动因素随温度变化：低温时土壤养分比例和微生物群落属性占主导，高温时降水和土壤N/P比更为关键。微生物群落在NUE响应中作用随温度升高减弱。

　　

摘要

微生物对碳和氮的利用效率（CUE和NUE）是调节土壤碳氮循环的关键因素，其温度敏感性在全球变暖背景下对生物地球化学反馈过程起着关键作用。然而，CUE和NUE的温度敏感性（Q10）在不同温度范围内的变化情况以及它们的热响应是否协调一致仍知之甚少。本研究量化了中国东部一条约4000公里长的森林样带中55个土壤样本的CUE和NUE的Q10值。进一步分析了影响Q10变化的主要因素，包括气候、土壤性质和微生物特性。平均而言，CUE的Q10值为1.22±0.08，NUE的Q10值为1.46±0.13。这两种效率均表现出明显的温度区间依赖性：CUE的平均Q10值在12°C–20°C区间为1.47±0.14，在20°C–28°C区间降至0.97±0.08；NUE的平均Q10值在同一温度区间内从2.00±0.23降至0.93±0.09。CUE和NUE的Q10值在不同温度范围内具有很强的相关性，并且与微生物生长的Q10值呈正相关，表明它们的热响应主要受生长过程调控。在较低的温度区间（12°C–20°C），CUE的Q10变化主要由土壤化学组成和微生物群落特性解释；而在较高温度区间（20°C–28°C），气候和土壤条件（尤其是降水量和土壤氮磷比）成为主导因素。尽管微生物群落特性始终能解释NUE Q10变化的大部分方差，但在较高温度下其影响减弱，这一现象与CUE的情况类似，表明控制机制从生物因素转向了非生物因素。总体而言，这些发现表明微生物的碳氮利用效率的温度敏感性紧密相关，受生长过程调控，并且强烈依赖于具体的温度环境，为预测气候变暖下的土壤碳氮循环提供了新的见解。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

微生物扩增子测序数据已存储在Science Data Bank中（https://doi.org/10.57760/sciencedb.14424）。支持本研究结果的数据和代码可在Science Data Bank中公开获取（https://doi.org/10.57760/sciencedb.36951）。中国边界地图的shapefile数据来源于中国国家测绘地理信息中心（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/，审批编号GS(2020)4619）。森林空间分布图由国家冰冻圈与沙漠数据中心提供（https://doi.org/10.12072/ncdc.westdc.db3785.2023）。