气温上升改变了微生物过程的缺失环节 使北部泥炭地处于危险之中

如果你是一个狂热的园丁，你可能已经考虑过泥炭藓——分解的泥炭藓，有助于保持土壤中的水分——来增强你的家乡土壤混合物。虽然盆栽介质可以帮助植物茁壮成长，但它也是泥炭地的关键组成部分：湿地的特点是泥炭藓、树木和其他植物生命下方有一层厚厚的水饱和、富含碳的泥炭。

这些生态系统仅占地球陆地面积的3%，但“泥炭地储存了地球上所有土壤碳的三分之一以上，”佐治亚理工学院生物科学学院教授兼研究副Joel Kostka解释说。

这种碳储存在很大程度上是由微生物支持的。特别是两个微生物过程——固氮和甲烷氧化——达到了微妙的平衡，共同作用使泥炭藓能够在营养枯竭的泥炭地中获得关键营养。

这两个过程的耦合通常被称为泥炭地养分循环的“缺失环节”。然而，这些过程将如何应对北纬地区不断变化的气候尚不清楚。

“有热带泥炭地 - 但大多数泥炭地都在北部环境中，”与Kostka在Tech生物科学部门合作的研究科学家Caitlin Petro指出，“这些将受到气候变化的更大打击。

Kostka和Petro最近领导了一项合作研究，以调查这种关键类型的生态系统(以及支持它的微生物过程的“缺失环节”)如何对气候变化带来的温度和二氧化碳水平升高做出反应。该团队还包括橡树岭国家实验室(ORNL)，佛罗里达州立大学和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员，他们刚刚在全球变化生物学上发表了他们的工作。

通过测试温度升高和二氧化碳对泥炭藓生长，其相关微生物组和整体生态系统健康的影响，Kostka和Petro表示，计算模型将更好地预测气候变化的影响。

“在未来，”Kostka补充说，“我们希望这些结果可以被环境管理者和政府用来适应性地管理或地球工程泥炭地，以便在一个温暖的世界中茁壮成长。

提高热量

为了了解北部泥炭地将如何应对气候变化，该团队(还包括地球与大气科学学院副教授詹妮弗·格拉斯)转向ORNL云杉和泥炭地在变化环境下的反应(SPRUCE)实验 - 明尼苏达州北部的一个独特的野外实验室，该团队加热泥炭沼泽并通过实验改变大气中的二氧化碳量。

从2016年开始，该团队将云杉实验泥炭地的不同部分暴露在从0°C到9°C的较高温度梯度下，捕获了政府间气候变化专门委员会模型预测的到4年北部地区将上升6°C至2100°C。

苔藓的反应是显着的。尽管在实验开始时，沼泽表面几乎100%被苔藓覆盖，但苔藓覆盖率随着温度的升高而下降，在最温暖的条件下骤降至15%以下。

至关重要的是，以前一直联系在一起的两个微生物过程在较高温度下不同步。

“泥炭地营养极其贫乏，微生物固氮是生态系统的主要氮输入，”Kostka解释说。固定氮是将大气氮转化为苔藓可用于光合作用的有机化合物的过程，而甲烷氧化允许苔藓使用分解泥炭释放的甲烷作为能量。

“甲烷氧化作用于为固氮提供燃料，同时在释放到大气中之前清除非常重要的温室气体。这项研究表明，这两个由泥炭藓微生物组催化的过程随着苔藓的死亡而变得脱节。

“这些共同发生的过程对社区非常重要，”佩特罗解释说。然而，许多能够固定氮和氧化甲烷的微生物在从高温外壳收集的苔藓中不存在。虽然二氧化碳水平升高似乎抵消了变暖引起的氮循环的一些变化，但这些过程的脱钩仍然存在。

“这些治疗方法正在改变我们在许多不同的环境中发现的相当明确和一致的植物微生物组，并且具有这种一致的功能，”Petro解释说。“这就像社区的一个完整的功能转变。

虽然目前尚不清楚这些变化中的哪一个 - 苔藓死亡或微生物活动的改变 - 正在推动另一个，但很明显，随着温度升高和二氧化碳水平升高，泥炭沼泽会出现一系列不可预测的结果。

“除了气候变暖对生态系统功能的直接影响外，”Petro补充道，“它还将引入所有这些非冲刺效应，这些效应将以我们以前没有预测的方式影响泥炭地。