热带与温带森林土壤微生物呼吸对气候变暖的响应机制差异及其碳循环意义

　　本研究针对气候变暖下土壤微生物呼吸响应机制不明确的问题，通过原位增温实验和室内控制实验，揭示了热带与温带森林土壤微生物呼吸对增温的差异化响应。结果表明，增温均促进两类森林土壤微生物呼吸（Rmass ），但温带土壤通过维持呼吸温度敏感性（Q10 ）和群落稳定性实现，而热带土壤则通过提高Q10 和改变群落结构（如降低细菌丰富度）响应。该研究为预测全球碳循环-气候反馈提供了新视角，发表于《Geoderma》。

　　

气候变暖如何影响土壤微生物呼吸？这一问题直接关系到全球碳循环与气候系统的反馈机制。尽管微生物呼吸每年释放的CO₂
远超人为排放，但其对温度升高的响应仍存在“增强假说”与“补偿假说”的争议。热带与温带森林因温度环境差异，可能孕育截然不同的微生物适应策略，但此前缺乏系统的原位实验验证。

南京农业大学的研究团队在海南热带山地和黑龙江温带森林设立原位增温样地（2019-2021），结合室内多温度（10/20/30°C）和底物（添加/不添加葡萄糖）控制实验，首次揭示了两种森林土壤微生物的差异化响应机制。通过测定微生物呼吸速率（R_mass
）、温度敏感性（Q₁₀
）和16S rRNA/ITS扩增子测序分析群落结构，研究破解了“微生物是否通过热适应减缓碳释放”的核心争议。

关键方法

1. 原位增温设计：两地设置3m×3m增温围栏（塑料覆盖+遮阳网），持续监测5cm深土壤温度；
2. 呼吸测定：气相色谱法（Agilent 7890A）分析CO₂
   释放量，计算R_mass
   和Q₁₀
   ；
3. 微生物分析：qPCR定量细菌（16S）和真菌（ITS2）基因拷贝数，Illumina平台测序解析群落结构；
4. 统计模型：ANCOVA控制土壤总碳（TC）和pH的影响，PERMANOVA分析群落差异。

研究结果

3.1 土壤温度与理化性质
增温使温带和热带土壤温度分别升高1.55°C和1.34°C。温带土壤总碳（TC）和总氮（TN）显著降低，而热带土壤无显著变化，暗示温带系统碳损失更显著。

3.2 增温普遍增强微生物呼吸
无论是否添加葡萄糖，增温均显著提升两类森林土壤的R_mass
（温带+27.03%/9.7%，热带+26.88%/16.39%），支持“增强假说”。

3.3 温度敏感性的区域分异
热带土壤在10-20°C区间Q₁₀
显著增加（增温+8.13%-10.93%），而温带土壤Q₁₀
保持稳定，表明热带微生物通过调整代谢效率响应变暖。

3.4 群落结构的差异化响应
增温仅降低热带土壤细菌丰富度和Shannon指数，对温带群落无显著影响，印证“热带微生物更易受温度扰动”的生态假说。

讨论与意义
该研究首次从机制层面阐明：温带土壤微生物通过生理调节（如酶活性上调）直接增强呼吸，而热带微生物则依赖群落重构和Q₁₀
提升实现碳释放加速。这一发现挑战了实验室单菌培养提出的“热适应补偿”理论，强调自然系统中种间互作和碳输入的关键作用。

研究对地球系统模型具有双重启示：①温带森林可能因微生物持续高呼吸而加速碳损失；②热带系统虽碳储量高，但群落脆弱性可能导致长期碳释放潜力被低估。未来需拓展更多生态系统类型，并结合酶动力学和宏基因组学解析分子机制，以精准预测碳-气候反馈。