长期增温和干湿条件下高寒草甸土壤微生物的演替特征及碳转化机制

The alpine grassland is one of the most important ecosystems in Tibetan Plateau, accounting for 23.4% of total soil organic carbon in China. In last decades, the alpine grassland was severely affected by climate warming and precipitation variation. The carbon content on the surface soil, however, remains stable according to long-term field monitoring, rendering it a key puzzle in climate change studies. Microbes play an important role in soil carbon stability. However, microbes are known as “dark matter” in ecosystems as a result of extremely high complexity and limitations of survey tools. This project targets the effect of long-term warming, precipitation variation and their coupling effect on soil microbial community structure and ecological functioning through advanced metagenomics tools of GeoChip, high-throughput sequencing and stable isotope probe, combined with field and lab experiments. We will reveal soil microbial succession pattern across various levels of functional genes, species, functional group, communities, and ecosystems. We will identify key species that decomposes recalcitrant carbon and main factors that influence the species. We will also propose microbial mechanisms regulating soil carbon stability, and consequently provide significant supports for the prediction of the effect of future climate change on soil carbon pool in the alpine grassland.

高寒草甸是青藏高原最主要的生态系统之一，有机碳总量占我国土壤有机碳量的23.4%。过去几十年以来，高寒草甸受到气候暖化、降水格局改变的严重影响。然而长期监测数据表明，其表层土壤碳基本保持稳定，是全球气候变化研究的重要疑难问题。微生物对于土壤碳稳定性具有重要作用，但微生物极为复杂且难以检测，被公认为生态系统的“暗物质”。本项目将综合基因芯片、高通量测序、稳定性同位素示踪等多种技术，结合田间实验和室内实验，持续监测长期增温、降水变化、水热耦合等不同气候变化情景对土壤微生物群落结构及其功能的影响，从功能基因、物种、种群、群落、生态系统等多个层面明确土壤微生物的演替特征，识别参与惰性碳降解的关键物种及其影响因素，阐明微生物介导土壤碳转化过程的机制，从而为预测未来气候变化对我国高寒草甸土壤碳库的影响提供重要数据支撑。

青藏高原的高寒草甸储存了23.2Pg的土壤有机碳，随着气候变暖，土壤有机碳被微生物降解的速率正在加快。然而，由于目前对土壤中复杂的微生物群落了解有限，因此无法准确预测未来气候变化情景下土壤碳储量的变化。本项目依托海北站的野外增温（+2oC）、加水（+50%）、减水（-50%）和水热耦合实验平台，在野外和实验室内条件下分析了两年和四年的实验增温和增减水土壤样品，检测了微生物群落生物量、细菌、古菌和真菌物种组成、基因组总体信息及碳转化功能基因丰度信息，揭示了微生物α多样性、β多样性以及基于分子生态网络的微生物相互作用在不同处理中的响应特征，阐明了增温、降水以及水热耦合对微生物物种和功能基因的影响规律。发现不同处理对土壤碳通量、植被的初级生产力和微生物群落产生了不同的影响，虽然2年增温对微生物多样性和群落组成影响不大，但4年增温导致整体微生物群落结构和功能基因丰度发生显着变化。通过宏基因组学测序共组装了212个基因组，识别了许多参与多种有机物降解的微生物和丰度很高的甲基杆菌属基因。测定了包括土壤CO2排放、CH4排放等土壤碳排放过程，发现增温强烈激发了高寒草甸生态系统土壤中93.8%的CH4吸收和11.3%的CO2呼吸，与碳降解基因丰度的增加相对应；在增温条件下观察到的甲烷氧化基因增加和产甲烷基因减少，也与增温增强的CH4吸收显著相关；由于增温对净生态系统CO2交换没有显着影响，增温所刺激的CH4吸收扩大了土壤生态系统的碳汇能力。解析了微生物碳循环基因、关键功能种群与土壤温室气体排放的关联，发现土壤CO2和CH4通量的变化与相关微生物功能丰度显著相关，但与细菌或真菌丰度无关。利用结构方程模型揭示了土壤物理化学性质、地上植被、土壤微生物群落、土壤温室气体排放和碳组分之间的关系，证明可以通过微生物碳降解的功能潜势来预测高寒草甸未来的土壤碳通量。本项目的研究表明，CH4和CO2循环过程的特定微生物功能特性对增温具有响应，进而对土壤温室气体排放产生影响。通过土壤微生物所增强的CH4吸收，草甸可在缓解气候变化方面发挥巨大作用。