青藏高原土层较薄，土壤发育较弱，对全球气候变化响应极为敏感。然而，目前对该区域土壤有机质转化过程的认识依然不足，阻碍了预测高寒土壤碳库对未来气候变化的响应。
近日，中科院青藏高原研究所生态格局与过程团队由张更新研究员指导的硕士研究生陈秋宇等，针对大气氮沉降、气候变暖及降水增加等全球气候问题，对青藏高原高寒草原土壤有机质展开了系列研究。利用热裂解气相色谱质谱联用（Py-GC-MS/MS）技术，结合微生物分析手段，从分子水平探索了高寒草原土壤有机质对未来气候变化的响应。
研究人员选取青藏高原的五种典型高寒生态系统进行预试验，拟探寻对外界环境变化响应最敏感的高寒土壤组分。研究结果显示：密度≤ 2.25 g/cm3的高寒土壤组分（LF-SOM）与该区域土壤微生物联系最为紧密，也是对气候变化响应最敏感的组分。根据预试验结果，研究人员再选择人工氮沉降及增温增水试验进行LF-SOM降解稳定性研究。
通过为期两年的人工设置不同梯度氮添加（0, 10, 20, 40, 80 和160 kg N ha-1 yr-1）试验，研究人员发现：氮添加显著影响LF-SOM的组成及含量。LF-SOM对施氮梯度存在非线性响应，其含量随着施氮梯度增加，呈现先增（10-20 kg N ha-1 yr-1）后减（40-160 kg N ha-1 yr-1）的趋势。尽管在160 kg N ha-1 yr-1处，LF-SOM含量与空白对照相比仍减少，但与其在80 kg N ha-1 yr-1处相比，其减少量有所减弱（图1）。
进一步研究发现：微生物功能基因丰度作为微生物活性的指示因子之一，与LF-SOM之间存在显著正相关关系（图2）。施氮量为10-20 kg N ha-1 yr-1时，微生物活性显著降低；施氮量为40-160 kg N ha-1 yr-1时，微生物活性随着施氮量增加而增加。因此，由氮添加引起的微生物活性扰动是造成LF-SOM对施氮梯度非线性响应的主要驱动因子。
图1 土壤不稳定有机质的组成及含量对氮添加的响应
图2 土壤不稳定有机质与微生物功能基因间的关系
此外，通过为期三年的人工设置增温（增温2℃）及增水（增水15%及30%）试验，研究人员发现：增温和增水处理主要通过直接影响植被输入和微生物降解之间的平衡，间接影响LF-SOM的转化过程。具体表现为，单独增水有助于植被生产力增加，促进累积LF-SOM。在LF-SOM中，植被来源化合物相较于微生物来源化合物及芳香族化合物对土壤水分增加的响应更敏感。相反，单独增温处理会加剧高寒草原生态系统中的干旱效应，抑制植被及微生物生长，因此不利于降解LF-SOM。而增温增水共同作用不仅缓解了由单独增温引起的水分缺失，还增加了土壤温度，更有利于增加微生物活性（LF-SOM中微生物来源化合物与土壤温度正相关），促进降解LF-SOM。（图3和图4）
图3 土壤不稳定有机质对增温及增水的响应
图4 不稳定土壤有机化合物比值对增温及增水的响应
根据上述研究结果，研究人员预测，未来氮沉降可能会抑制微生物活性进而有助于累积高寒LF-SOM；增温伴随着降水增加也有助于增加微生物活性，进而促进降解高寒LF-SOM。这些研究为预测未来气候变化如何影响高寒土壤有机碳储量提供了重要依据。
上述研究成果分别以“Comparison of soil organic matter transformation processes in different alpine ecosystems in the Qinghai-Tibet Plateau”、“Multi-level nitrogen additions alter chemical composition and turnover of the labile fraction soil organic matter via effects on vegetation and microorganisms”和“Warming and increased precipitation indirectly affect the composition and turnover of labile-fraction soil organic matter by directly affecting vegetation and microorganisms”为题在“Journal of Geophysical Research-Biogeosciences（2篇）”和“Science of the Total Environment（1篇）”上发表。
文章链接：
https://doi.org/10.1029/2018JG004599
https://doi.org/10.1029/2019JG005316
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136787
