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在全球變暖背景下，土壤微生物通過(guò)調(diào)控碳(C)和氮(N)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)反饋發(fā)揮著關(guān)鍵作用。微生物碳利用效率(carbon use efficiency, CUE)和氮利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)是連接微生物代謝過(guò)程與土壤碳氮循環(huán)的核心指標(biāo)，其對(duì)溫度變化的敏感性(Q10)直接影響土壤碳儲(chǔ)存和氮循環(huán)。然而，CUE和NUE的溫度敏感性在不同溫度范圍內(nèi)的變化特征及其熱響應(yīng)是否具有協(xié)同性，目前尚不清楚。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定性同位素創(chuàng)新組群以中國(guó)東部南北跨越約 4000 km的森林緯度樣帶為研究對(duì)象(圖1)，采集有機(jī)層土壤樣品，通過(guò)設(shè)置不同培養(yǎng)溫度(12℃、20℃和28℃)，并結(jié)合18O-H2O和15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，在大陸尺度上分析了森林土壤微生物CUE、NUE及其溫度敏感性(Q10)，并探索二者的關(guān)系及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

結(jié)果表明：(1)森林土壤微生物碳、氮利用效率的溫度敏感性呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系(圖2);(2)微生物CUE和NUE的溫度敏感性在不同溫度區(qū)間(12-20℃與20-28℃)存在差異，在較低溫度條件下溫度敏感性更強(qiáng)(圖2);(3)隨著溫度升高，CUE和NUE溫度敏感性的主要驅(qū)動(dòng)因子由微生物群落等生物因素逐步轉(zhuǎn)為氣候和土壤理化特征等非生物因素(圖3)。

該研究在大陸尺度上證實(shí)了森林土壤微生物碳、氮利用效率溫度敏感性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并揭示了其驅(qū)動(dòng)機(jī)制隨溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變的規(guī)律性，為理解微生物生理過(guò)程如何介導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)氣候變化響應(yīng)提供了重要見(jiàn)解。

研究成果近期以“Coupled temperature sensitivity of microbial carbon and nitrogen use efficiencies in forest soils on a continental scale”為題，發(fā)表在Global Change Biology。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所博士生張仰和副研究員曲聆瑞為共同第一作者，王超研究員為通訊作者，沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所王健助理研究員、劉玥特別研究助理、高美霞助理研究員、王旭副研究員、博士生曲芳瑩以及東北師范大學(xué)白娥教授為共同作者。該研究得到基金委青B、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

圖1.中國(guó)東部森林土壤采樣點(diǎn)的空間分布

圖2.森林土壤微生物CUE和NUE的溫度敏感性(Q10)

圖3.微生物CUE和NUE溫度敏感性的關(guān)鍵影響因素