不同热历史特征的亚北极草原中，土壤隔室特异性细菌群落及其对升温幅度的氮循环响应

《Soil Biology and Biochemistry》：Soil Compartment-Specific Bacterial Communities and Nitrogen Cycling Responses to Warming Magnitude in Subarctic Grasslands with Contrasting Thermal Histories

本研究利用冰岛亚北极草地地热增温时间序列，探讨不同增温持续时间（11-13年与>60年）对根际和 bulk 土壤细菌群落及氮循环基因的影响。结果表明，短时增温导致细菌丰度显著下降，且根际响应早于 bulk 土壤；长期增温下，氮循环功能（如 nifH 和 nrfA 基因）在根际和 bulk 土壤中表现出缓冲效应。研究揭示了增温历史与土壤微分的交互作用，强调需考虑站点特性和增温时长。

　　

阿伦·库马尔·德瓦拉詹（Arun Kumar Devarajan）|雅克·特鲁（Jaak Truu）|比普拉比·巴塔拉伊（Biplabi Bhattarai）|伊维卡·奥斯托宁（Ivika Ostonen）|科琳·勒·努瓦尔德·德·卡尔兰（Coline Le Noir de Carlan）|埃里克·维尔布鲁亨（Erik Verbruggen）|比雅尔尼·D·西格德松（Bjarni D. Sigurdsson）|帕尔·西格德松（Páll Siguresson）|希耶·诺尔瓦克（Hiie N?lvak）|克尔图·蒂里克（Kertu Tiirik）|丹尼斯·梅策（Dennis Metze）|李凌娟（Lingjuan Li）|阿尔古斯·佩斯克达（Argus Pesqueda）|安德烈亚斯·里希特（Andreas Richter）|伊万·詹森斯（Ivan Janssens）|玛丽卡·特鲁（Marika Truu）

爱沙尼亚塔尔图大学分子与细胞生物学研究所

摘要

高纬度地区的土壤正在迅速升温，但土壤升温对不同土壤层中微生物群落的影响仍不清楚。我们利用冰岛亚北极草原的地热升温时间序列，研究了在相对稳定的土壤湿度条件下，根际和土壤整体中的细菌群落动态及氮循环潜力。研究了两个相邻的草原，它们的升温历史不同（分别为11-13年（GN）和超过60年（GO），并且基线土壤性质也不同。通过植物根系生长法采集土壤样本，沿着最高达+15°C的连续土壤升温梯度进行独立研究，采样时间跨度为2019年至2021年。在GN组中，细菌16S rRNA基因的丰度随升温呈线性下降，而在GO组中这种趋势仅出现在根际。GN组的群落结构变化发生在更低的温度阈值下；这些跨地点的模式与升温历史有关，但也可能反映了地点间的差异。升温增加了土壤各组间的β多样性，主要通过物种更替实现，同时减少了同质选择和生态漂变，并增加了扩散限制。在两个草原中，根际群落对升温的敏感性都高于土壤整体，表现为更强的丰度响应和更低的群落重组温度阈值。在GO组中，中心微生物类群的组成发生了变化，尤其是在根际，而整体共现网络结构保持稳定。氮循环相关基因的丰度主要受采样时间的影响，而升温效应则因草原和土壤层而异。在GO组中，根际群落的微生物固氮潜力下降，因为和基因的丰度相对于硝化基因和型反硝化基因受到强烈抑制，而土壤整体的功能特征相对稳定。综合这些结果表明，在持续升温的情况下，微生物群落重组具有空间特异性和地点依赖性，GN组和GO组的模式既受升温历史的影响，也受到基线土壤差异的制约。将地点特异性背景、升温持续时间和根际与土壤整体的差异纳入未来研究，可能有助于更准确地预测亚北极草原微生物对长期温度升高的响应，尽管仍需要直接的过程测量来量化生态系统反馈。

引言

北极地区的升温速度几乎是全球平均水平的四倍（Rantanen等人，2022年）。在高温室气体排放情景下，预计到2100年全球气温将上升3.3-5.7°C，这对储存大量土壤碳（C）的寒冷限制生态系统构成严重威胁（Lee等人，2023年）。土壤微生物调节碳循环、养分可用性和温室气体通量，因此它们是陆地气候反馈的核心（Jansson和Hofmockel，2020年；Banerjee和van der Heijden，2023年）。因此，了解升温如何改变微生物群落结构和代谢对于预测高纬度生态系统的恢复力和气候反馈至关重要。

最近的研究强调了气候历史对当前土壤微生物动态和功能的重要影响（Cui等人，2024年；Sveen等人，2024年；Broderick等人，2025年）。短期升温（1-10年）仅能捕捉到初始的微生物重组，而多年升温则会导致稳定的群落状态和热敏感性的改变（Frey等人，2008年；DeAngelis等人，2015年；Romero-Olivares等人，2017年；Xu等人，2023年）。然而，大多数研究依赖于常温与升温条件下的对比（Ning等人，2020年；Lei等人，2024年；Metze等人，2024年），忽略了连续的温度梯度、升温阈值（Weedon等人，2023年）以及由于短期或单季采样导致的时间变异性（Bardgett和Caruso，2020年；Poppeliers等人，2022年）。因此，需要在不同升温历史的相似生态系统中进行跨季节的重复采样，以将微生物响应与生态系统功能联系起来（Geisen，2021年）。

冰岛的ForHot地热草原提供了一个独特的机会来研究升温持续时间的影响，因为两个相邻的地点——一个升温超过11年，另一个超过60年——具有相同的植物群落、土壤类型和区域气候，从而最小化了混淆因素（Sigurdsson等人，2016年）。在草原上的实验性升温研究表明，微生物响应强烈依赖于实验方法：被动方法（如开放式温室）往往产生较弱或变化较大的效果，而主动方法（红外加热器和土壤加热电缆）通过植物介导的刺激或直接的土壤热应力诱导出更清晰但方法特定的响应（Wang等人，2025年）。相比之下，地热升温提供了一个更可靠的自然模型，因为它产生了长期、连续的土壤温度梯度，且实验干扰最小。这些地热梯度比环境温度高出超过15°C，超出了IPCC预测的升温范围（3.3-5.7°C），能够检测到传统对照-升温设计无法发现的温度阈值和非线性响应。

草原覆盖了地球陆地表面的约40%，并储存了大约三分之一的陆地碳，使它们成为气候-碳反馈的核心（Suttie等人，2005年；Bardgett等人，2021年）。草原中的土壤微生物群落对升温非常敏感，其地下多功能性通常比地上植被更强烈地响应升温（Xu等人，2023年；Zhao等人，2024a,b）。亚北极草原与北极苔原、高山草原和温带草原不同，它们结合了极端的季节性限制和连续的草地植被，在冰岛等地区，火山安多士土（Andosols）强烈调节碳和氮的稳定（Sigurdsson等人，2016年；Poppeliers等人，2022年）。这些特征使亚北极草原处于北极和温带系统之间的过渡地带，可能导致独特的微生物响应。此外，该系统中的土壤细菌群落组成和温度适应已被证明是相互关联的（Weedon等人，2023年），但升温持续时间的作用仍不清楚。

土壤升温通过改变土壤湿度、结构和养分可用性，诱导了寒冷草原中植物和土壤过程的耦合变化（Santos等人，2019年），同时改变了植被组成，延长了生长季节，并增加了根系和凋落物带来的碳输入（Winkler等人，2016年；Bjorkman等人，2020年）。这些变化传递到微生物群落，影响了它们的生长、多样性和功能活动（D’Alò等人，2021年；Lei等人，2024年）。然而，升温效应在土壤各层中并不均匀。在温带草原中，植物输入和土壤条件的差异导致根际和土壤整体的升温响应不同（Yu等人，2024年）。根际的呼吸作用和微生物更替通常比土壤整体更敏感于温度变化，因为连续的根系产生的易分解碳为快速生长的微生物提供了能量（Kuzyakov，2006年；Subke等人，2006年；Dijkstra等人，2011年）。长期升温研究还显示，与土壤整体相比，植物相关群落的组成变化更早或更明显，尽管变化的大小和方向取决于基质供应、土壤性质和升温持续时间（DeAngelis等人，2015年；Shi等人，2015年）。因此，充分考虑这两个层次对于全面理解亚北极生态系统中的升温驱动的植物-微生物-土壤相互作用至关重要。

氮循环是陆地生态系统中调控最严格的生物地球化学过程之一，包括氮固定、硝化、反硝化和硝酸盐还原为铵（DNRA）等关键转化，这些过程由专门的微生物类群完成（Levy-Booth等人，2014年；Kuypers等人，2018年）。全球研究表明，升温加速了硝化和反硝化过程，增加了硝酸盐淋溶和一氧化二氮的排放（Barnard等人，2005年；Dai等人，2020年），特别是在寒冷地区，升温缓解了微生物的限制（Zhuang等人，2012年；Chen等人，2015年）。然而，个别氮循环相关基因（如、和）的响应在不同研究中的一致性较低，其变化的方向和幅度取决于基质供应、土壤湿度和升温持续时间（Dong等人，2022年）。在冰岛草原上，约10年的自然升温通过破坏微生物和化学稳定途径削弱了土壤的氮保持能力，导致碳损失（Mara?ón-Jiménez等人，2025年）。相比之下，超过50年的升温在长期碳限制下促进了保守的微生物氮利用和更紧密的有机氮循环，稳定了氮储量并减少了损失（Zevenhuizen等人，2026年）。然而，升温持续时间如何重新塑造这种从氮损失到氮保存的微生物群落变化尚不清楚。

在这项研究中，我们在冰岛的两个亚北极草原建立了植物根系生长法采集土壤样本的实验，通过重复采样来评估地热升温持续时间和强度如何影响根际和土壤整体中的细菌群落结构、丰度和氮循环。我们假设：（1）长期升温的草原具有更稳定的细菌群落和更高的温度阈值，而短期升温会导致更早和更明显的细菌群落结构和温度敏感功能基因响应变化；（2）无论草原的具体效应如何，根际细菌群落的重组温度阈值低于土壤整体，这可能是由于它们与植物根系的紧密关联；（3）长期升温的草原在土壤整体中表现出更稳定的氮循环响应，这是由于长期资源限制和微生物重组，而根际群落则表现出更高的升温敏感性和氮循环基因丰度的变化。

研究地点

在冰岛雷克雅未克以东40公里的Hengill地热区（64°00′01′′N, 21°11′09′′W）的ForHot研究地点的亚北极草原上，进行了一个关于植物根系在升温土壤条件下生长的实验（Sigurdsson等人，2016年）。该地区海拔范围从83米到168米，属于海洋性气候，年平均气温为5.2°C，12月最低为-0.1°C，7月最高为12.2°C。

研究草原中物理化学特性、细根生物量与土壤温度之间的关系

对照地块的数据表明，在研究期间两个草原之间的平均土壤温度没有差异。然而，土壤的物理化学组成存在显著差异，GN组的pH值、总碳（TC）、总氮（TN）和碳氮比（C:N ratio）较高（表1）。采样时间也对土壤的物理化学性质有显著影响（表S5）。两个地点的土壤温度（Ts）和温度差（ΔTs）与物理化学组成相关，但这些关系的强度和方向在两个草原之间有所不同（图

讨论

本研究利用罕见的地热升温时间序列，探讨了升温幅度和土壤层如何共同调节亚北极草原中的细菌群落和氮循环潜力。通过整合连续的土壤温度梯度、重复的时间采样以及对根际和土壤整体的并行分析，我们超越了传统的常温与升温对比方法，明确探索了与升温相关的长期效应模式。我们的结果表明

结论

我们的研究表明，土壤升温与亚北极草原中细菌丰度、群落结构和氮循环基因谱型的草原和土壤层特异性变化有关。两个草原之间的模式表明，在长期升温的草原中，细菌丰度的响应较弱，群落结构变化的温度阈值较高，这与长期升温下的预期模式一致，尽管

CRediT作者贡献声明

丹尼斯·梅策（Dennis Metze）：撰写——审稿与编辑，研究。克尔图·蒂里克（Kertu Tiirik）：撰写——审稿与编辑，研究。阿尔古斯·佩斯克达（Argus Pesqueda）：撰写——审稿与编辑，研究。雅克·特鲁（Jaak Truu）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，方法学，数据分析，概念化。李凌娟（Lingjuan Li）：撰写——审稿与编辑，研究。阿伦·库马尔·德瓦拉詹（Arun Kumar Devarajan）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，数据分析

未引用的参考文献

Banerjee和Van Der Heijden，2023年；Daebeler等人，2012年；Dijkstra等人，2006年；Shi等人，2016年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在欧洲核苷酸档案库（European Nucleotide Archive）和figshare上公开获取：http://doi.org/10.6084/m9.figshare.29095013

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了FutureArctic的支持，该计划由欧盟的Horizon 2020研究与创新框架计划（Marie Sk?odowska-Curie行动，项目编号813114）资助；爱沙尼亚研究委员会（项目编号PRG916和PRG2778）；以及爱沙尼亚教育与研究部可持续土地利用卓越中心（TK232）的支持。