微生物的生活史介导了土壤有机质分解对温度变化敏感性的降低，这一现象在干旱梯度上表现得尤为明显

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Microbial Life History Mediates the Reduced Temperature Sensitivity of Soil Organic Matter Decomposition Across an Aridity Gradient

　　

闫阳|梁亮阳|尚文辉|杜岩|李向珍|何年鹏|雅科夫·库兹亚科夫|于贵瑞|田静

中国农业大学资源与环境科学学院，养分利用与管理国家重点实验室，北京，中华人民共和国

摘要

土壤有机质（SOM）分解的温度敏感性（Q₁₀）是陆地表面模型中预测干旱地区碳（C）对气候变暖响应的关键参数。这一参数通常归因于底物质量和微生物特性。在干旱生态系统中，低土壤湿度限制了底物的可用性并改变了微生物特性，但介导不同干旱梯度下SOM温度响应的微生物功能策略仍几乎未知。本研究调查了中国北部沿3,500公里干旱梯度（干旱程度用1-干旱指数表示，范围从0.4到0.9）的16个干旱地点的土壤Q₁₀变化。结果表明，随着干旱程度的增加，Q₁₀值显著下降。这种下降直接由营养限制（生态酶化学计量比）和微生物特性驱动，包括群落组成和生命史策略的变化。特别是，微生物越来越依赖耐受性而非资源获取策略来维持生存，从而降低了Q₁₀。相比之下，气候（干旱程度）和底物特性（如土壤有机碳[SOC]和碳/氮比[C/N]通过间接途径影响Q₁₀。总体而言，这些发现提供了大规模的实证证据，表明干旱化降低了SOM分解的Q₁₀，表明未来变暖条件下干旱地区的土壤碳排放可能不如假设Q₁₀响应恒定或由底物驱动的陆地表面模型所预测的那么严重。

引言

干旱地区覆盖了地球陆地表面的约41%（Reynolds等人，2007年），并含有全球土壤碳（C）库的很大一部分，在表层200厘米的土壤中储存了高达646Pg的土壤碳（Reynolds等人，2007年；Plaza等人，2018年；Lal，2019年；Ren等人，2024年）。随着气候变化的加剧，干旱程度正在增加，干旱地区也在全球范围内扩大（Wang等人，2014年；Stringer等人，2021年）。第五次耦合模型比较项目（CMIP5）预测，在代表性浓度路径8.5（RCP8.5）气候情景下，与1961年至1990年的基准期相比，2006年至2100年间干旱地区将增加23%（Huang等人，2016年）。加剧的干旱可能会显著影响植物生产力和土壤微生物分解，从而减少地上碳输入和土壤碳封存能力（Huang等人，2012年）。鉴于干旱地区对全球碳储存的巨大贡献，了解干旱化如何改变土壤碳循环对于预测未来的气候-碳反馈至关重要。

在这种情况下，一个关键的不确定性是土壤有机质（SOM）分解的温度敏感性（Q₁₀），它描述了分解速率对温度升高10°C的响应。作为地球系统模型中的一个重要参数，Q₁₀可以强烈影响对未来变暖下土壤碳损失的预测（Friedlingstein等人，2006年；Sun等人，2023年）。然而，在干旱地区限制Q₁₀仍然具有挑战性，因为干旱同时限制了SOM分解的物理、化学和生物控制因素。土壤湿度降低限制了底物的扩散和微生物对有机物的获取，改变了底物的稳定机制，并限制了微生物的活动和生长（Rowley等人，2018年；Singh等人，2018年；Li等人，2024年）。因此，Q₁₀如何响应干旱程度的增加，以及哪些因素驱动了这种响应，目前尚未得到充分解决。

先前的研究表明，干旱可以通过改变底物可用性（Li等人，2024年）、土壤物理化学保护和微生物群落动态（Rowley等人，2018年；Singh等人，2018年；Pei等人，2024年）来影响SOM分解的Q₁₀。然而，仍存在三个主要空白。首先，大部分现有证据来自局部或站点级别的研究，这限制了我们推断广泛干旱梯度下普遍模式的能力（Gentsch等人，2018年；Azizi-Rad等人，2022年；Gao等人，2025年）。其次，尽管微生物群落组成与土壤Q₁₀的变化有关，但分类学或组成上的变化并不一定反映微生物生态功能的相应变化（Griffiths和Philippot，2013年；Cheng等人，2024年）。在干旱程度增加的情况下，预计微生物会调整其生命史策略，可能将投资从生长和资源获取转向耐受性，但这种功能重组是否介导了Q₁₀的变化仍不清楚（Zhou等人，2025年）。第三，以往的研究主要集中在与碳相关的底物上（Ding等人，2016年；Li等人，2018年），而对营养限制（特别是氮[N]和磷[P]的关注较少，这些因素可以限制微生物的新陈代谢、酶的产生和对变暖的分解响应（Borken和Matzner，2009年；Delgado-Baquerizo等人，2013年；Mao等人，2024年）。总的来说，这些空白突显了需要进行大规模的综合性研究，以探讨干旱如何通过底物条件、营养限制和微生物功能策略的相互作用来影响Q₁₀。

青藏高原和内蒙古高原合计占中国干旱地区的55.6%以上（Wang等人，2022年；Lu等人，2024年），为解决这些问题提供了理想的自然梯度。在这里，我们研究了在中国北部跨越3,500公里温带和高山草甸的16个干旱地点中，干旱程度（用1-干旱指数表示，范围从0.4到0.9）对SOM分解Q₁₀的变化。这些草地类型在干旱梯度上表现出相似的土壤有机碳（SOC）和微生物群落结构响应，使得可以进行统一分析（Li等人，2022年）。具体来说，我们探讨了：（1）Q₁₀是否随干旱程度的增加而下降；（2）微生物功能策略的变化是否是这一模式的主要机制；以及（3）气候、底物特性和营养限制如何影响干旱梯度上的Q₁₀变化。我们假设干旱程度的增加会通过加强对微生物活动的水分和营养限制来减少SOM分解及其温度敏感性。此外，我们提出，在水分和资源受限的情况下，微生物会优先考虑耐受性，通过减少对生物量和资源获取的投资来维持细胞完整性，从而降低SOM分解的Q₁₀。

章节片段

研究地点和采样

该研究在中国北部的两个具有连续干旱梯度变化的草地区域进行了区域调查，包括温带草原（东经112°至120°，北纬43.6°至45.1°）和高山草原（东经80.1°至95.4°，北纬31.4°至32.4°）。每个样带从草甸草原延伸到沙漠草原，采样地点如图1a所示。每个地点的详细信息见表S1，包括年平均温度（MAT）等。

干旱梯度上土壤有机质分解及其Q₁₀的减少

在温带和高山草原中，加剧的干旱抑制了SOM分解及其Q₁₀（所有P < 0.001，图1b）。同时，干旱显著减少了土壤中粘土和粉砂的比例（温带：P < 0.001；高山：P < 0.01，图2a,i），表明土壤沙漠化进程加快。关于底物特性，干旱一致降低了SOC、C/N比以及DOC/DON和DOC/DOP的比率（所有P < 0.001，图2b-e, j-m）。

讨论

基于对干旱地区的大规模采样和实验室实验，结合对关键预测因素的系统性测量，本研究解决了理解干旱生态系统中SOM分解Q₁₀的关键空白，特别是关于微生物生命史策略方面。我们的结果表明，干旱降低了土壤呼吸速率和温度敏感性，这与Li等人（2024年）的发现一致。此外，我们证明了干旱引起的

结论

总之，我们的研究提供了大规模的实验证据，表明土壤Q₁₀随着干旱程度的增加而显著降低。这一发现为干旱地区的碳-气候反馈模型提供了重要的基准，表明由于干旱导致的土壤碳损失可能不像之前在全球变暖情景下预测的那么严重。我们的结果进一步表明，微生物生命史策略在介导Q₁₀方面起着更直接的作用。

CRediT作者贡献声明

于贵瑞：撰写 – 审稿与编辑。田静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，概念化。何年鹏：撰写 – 审稿与编辑。雅科夫·库兹亚科夫：撰写 – 审稿与编辑。杜岩：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。李向珍：撰写 – 审稿与编辑。尚文辉：撰写 – 原稿，可视化，正式分析。闫阳：撰写 – 原稿，可视化，正式分析，概念化。梁亮阳：

Sinsabaugh和Follstad Shah，2012年。

数据可用性

本研究的宏基因组序列和元数据数据可在微生物组数据库（http://egcloud.cib.cn）（PRJ-METAG-a6f22719dad1f7fb976508a4e83ff33e）和序列读取档案（PRJNA807392）中获得。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32571911）和北京高级学科的支持。我们感谢TerrArctic项目（秋明州政府项目编号：89-DON（1）以及CarboRus（075-15-2021-610）的支持。