溫度和氧化還原對土壤碳和鐵迴圈的互動影響
氣候模型預測，由於大氣溫室氣體 （GHG） 排放量增加，某些潮溼陸地環境中的極端降雨事件會增加。其中許多環境，例如熱帶森林和泥炭地，在全球碳 （C） 交換中發揮著重要作用，並且可以作為 C 源或匯，具體取決於氣候條件。氣候變化導致的降水增加會增加缺氧或低氧化還原環境的發生率； 在這些地區，厭氧土壤代謝可能變得更加普遍。正如 Arrhenius 方程所預測的那樣，土壤中有氧產生的二氧化碳 （CO2） 會隨著溫度的升高呈指數增加，或者表現出正相關。然而，關於溫度對影響 C 迴圈的厭氧過程的影響知之甚少，例如鐵 （Fe） 還原和產甲烷，特別是在高地土壤中溫帶和熱帶生態系統。瞭解這些過程的同時溫度和氧化還原敏感性對於預測它們對氣候變化的反應特別重要。
對此，研究人員基於兩種截然不同的土壤（分別來自熱帶森林和溫帶泥炭地），設計了一個溫度（8、26和35℃）×氧化還原條件（好氧和缺氧）互動培養實驗，來檢測CO2產生、CH4通量、鐵還原、微生物生物量C和微生物代謝熵（microbial metabolic quotient）的響應。
表1。兩種土壤的理化性質
研究發現，在氧化條件下，發現CO2的產生在兩個溫度梯度（8-26℃和26-35℃）都有所增加。相反，在缺氧條件下，在熱帶森林和溫帶泥炭地土壤中，CH4淨通量和鐵還原在26-35℃之間表現出比8-26℃更大的溫度敏感性。在熱帶森林和溫帶泥炭地土壤中，鐵還原和CH4淨通量之間的耦合與對乙酸的競爭一致。
圖1。 二氧化碳累積量
圖2。 甲烷和還原鐵的累積量
圖3。 甲烷通量和Fe（II）濃度隨時間變化
缺氧微生物代謝熵在高溫下在熱帶森林土壤中增加，但在溫帶泥炭地土壤中沒有，這表明原生的熱帶泥炭地環境可能有利於發展更有效的微生物群落，使其能更好地容忍更溫暖、更潮溼的條件。
圖4。 溫度和氧化條件對微生物生物量碳的影響
圖5。 溫度和氧化條件對微生物代謝熵的影響
研究發現，氧化還原狀況在具有可變氧化還原條件的土壤中的生物地球化學過程的溫度敏感性方面起著重要作用。這裡分析的厭氧生物地球化學過程在較高的溫度下比在較低的溫度下表現出明顯的溫度敏感性，這與在不同溫度範圍內觀察到的氧化性二氧化碳生產的一致增加不同。
這些氧化還原生物地球化學的溫度敏感性模式在熱帶和溫帶地區都有發生。結果表明，厭氧微生物呼吸在熱帶環境中的高溫下更有效。高溫下厭氧代謝的增加可能是由於熱帶土壤中較小比例的微生物生物量庫活動的增加，但更可能是溫帶環境中微生物庫規模的功能。此外，研究發現，在這兩個系統中，甲烷生成與鐵的減少相關聯。
研究結果表明，較高的溫度和增加的極端降雨事件共同導致土壤中的氧氣消耗，可能透過增加厭氧土壤代謝率而不是在有氧條件下相互作用來影響 Fe、C 和 GHG 動態。
作者丨Nikhil R。 Chari（一作&通訊），Yang Lin，Yuan S。 Lin，Whendee L。 Silver，2021-12-7發表於Soil Biology & Biochemistry。編譯丨EcoTrends
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