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全球气候变暖加速冰川消融，冰川前缘新兴生态系统的发展为增强陆地碳汇开辟了新路径。微生物介导的碳固定和分解过程与氮素转化以及植物-土壤-微生物相互作用紧密耦合，直接调控土壤中碳的积累与归趋。然而，在植被演替过程中，微生物在碳氮循环中的功能潜力如何转变，以及其背后的调控机制仍缺乏系统认识。本研究以青藏高原东部贡嘎山海螺沟冰川前缘约130年的植被演替序列为对象，系统解析根际与非根际土壤中微生物碳氮循环功能基因及群落演替特征，旨在揭示成土早期土壤微生物固碳潜力及其关键调控机制。

（1）土壤微生物碳氮循环基因的丰度及多样性

整体上，根际土壤中微生物所编码的碳、氮循环基因的绝对丰度表现出与非根际土壤不同的演替模式（图1）。此外，根际与非根际土壤在碳氮循环基因组成上并无明显差异，但S3-4阶段的群落组成与其他阶段明显分异。

（2）碳循环基因丰度与微生物碳代谢途径

参与碳固定和分解基因的绝对丰度在演替各阶段表现出显著差异，其中在S4阶段的根际土壤和S3阶段的非根际土壤中丰度最高（图2）。

（3）氮循环基因丰度与微生物氮代谢途径

编码固氮、硝化及厌氧氨氧化的基因丰度在整个演替序列中未出现明显变化。相较之下，编码氨化作用、反硝化作用及同化作用的基因丰度在不同演替阶段间表现出显著差异，其中根际土壤在S4阶段达到峰值，非根际土壤在S3阶段达到峰值（图3）。

（4）微生物群落结构

根际土壤中细菌群落主要由变形菌门（Alphaproteobacteria和Rhizobiales）、拟杆菌门（Chitinophagales和Chitinophagaceae）和放线菌门占据优势。在非根际土壤中则观测到更多样的细菌类群，包括酸杆菌门（Acidobacteriia）、浮霉菌门（Planctomycetacia和Gemmatales）和绿弯菌门（图4）。

（5）与碳氮代谢途径相关的微生物生物标志物

与非根际土壤相比，根际土壤中微生物生物标志物与WL途径、3HP途径、半纤维素降解及氨化作用相关基因呈显著相关性，解释了总变异的64~78%（图5）。

（6）微生物碳氮循环功能潜力的预测因子

在根际土壤中，EON和微生物多样性与网络复杂性是氨化作用、碳固定（WL与3HP）以及木质素降解过程的主要驱动因子；而在非根际土壤中，SOC:TN和微生物生物量与多样性主要影响碳氮循环功能潜力（图6）。

本研究揭示了在冰川前缘生态系统演替过程中，微生物碳固定相较于碳分解发挥着关键作用，强调了微生物对冰川迹地新兴生态系统土壤长期碳固存的潜在贡献。微生物能够通过选择高效代谢途径（尤其是WL途径和3HP循环）来增强碳固定能力。此外，氨化作用始终是微生物氮循环的主导过程，以满足植物和微生物的氮需求。氨化作用通过提高土壤氮素有效性，进而促进微生物生物量和多样性，并筛选出能够优化碳利用效率的特定类群，从而增强微生物介导的碳固存。特别是，微生物氨化作用与碳固定之间的复杂相互作用依赖于不同演替阶段的特定植物种类，尤其是阔叶植物，它们能够向土壤输入大量的有机物质。未来的研究需要进一步解析植物-土壤系统中微生物介导的碳动态的复杂反馈机制，特别是在弱风化成土作用的冰川退缩区。研究结果对于改进气候与生态系统模型、精确预测和有效管理全球碳收支具有重要的理论依据。

米兰大学Gentile Francesco Ficetola教授、华中农业大学谭文峰教授、中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所吴艳宏研究员和王涛研究员、中国科学院地球环境研究所刘济副研究员、山西农业大学段成娇博士、山西工学院张志琴博士参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金、四川省科技计划项目以及中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所科技攻关项目等资助。

论文题目：From Barren Rock to Thriving Life:How Nitrogen Fuels Microbial Carbon Fixation in Deglaciated Landscapes

期刊：Environmental Science & Technology

论文下载: DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c00897