Journal of Plant Ecology |我院彭少麟/周婷教授团队揭示全球变化昼夜增温下土壤碳排放的机制
概念图｜夜间增温如何推动微生物“换挡”，并加速两类土壤碳库的损失
科普解读：
全球变暖并不是白天和夜晚一起匀速升温。在许多地区，夜间最低温上升得比白天最高温更快，这就是“昼夜不对称增温”。它相当于悄悄延长了土壤微生物的“工作时间”，使群落从生长较慢、资源利用较稳的K策略者，转向繁殖快、善于分解易利用碳源的r策略者，同时提高碳降解酶活性和碳利用效率，加快土壤碳周转。土壤中的碳也并非铁板一块：颗粒态有机碳（POC）主要来自植物残体，周转较快，是增温下率先被消耗的“活跃碳库”，其损失主要受土壤温度和微生物碳利用效率驱动；矿物结合态有机碳（MAOC）依附在矿物表面，原本更加稳定，却也会受到温度升高、水分减少和微生物策略变化的共同影响。研究发现，夜间增温导致的土壤有机碳损失约为白天增温的1.9倍。换句话说，夜晚看似安静，却可能让土壤这个“碳仓库”漏得更快。如果只看平均气温，而忽略昼夜增温的差异，我们就可能低估土壤向大气释放的碳，以及它对气候变暖的“推波助澜”。
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全球气温持续上升已成为备受瞩目的全球变化现象，其中白天和夜间增温的差异对生态系统的影响也引起了广泛关注。然而迄今为止，昼夜增温不同的模式下，土壤微生物如何调控土壤有机碳分解等机制尚不清楚，揭示这一科学问题对理解生态系统对全球变化的响应极为重要。
本研究通过14个月的热红外辐射增温野外控制实验，设置对照、白天增温、夜间增温和全天增温4种处理，系统探究昼夜不对称增温对土壤有机碳（SOC）及其组分颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）的影响及微生物驱动机制。结果表明，白天增温（DW）、夜间增温（NW）和全天增温（DW+NW）均显著降低了SOC、POC和MAOC含量，同时增加了CO2排放通量（图1）。尤为关键的是，夜间增温所导致SOC损失为白天增温的1.9倍，表明日最低温升高对土壤碳分解的促进作用显著强于日最高温升高。
在微生物群落层面，夜间增温和全天增温显著促进了r-策略者的增殖，使K/r策略比显著降低，表明微生物生活史策略发生明显转变。r-策略者具有更高的碳利用效率（CUE）和更强的碳转化效率，同时夜间增温显著增加了βG和CBH酶活性，进一步加速了SOC及其组分的分解。
机制分析和结构方程模型表明，昼夜不对称增温通过改变土壤温度和水分，并调节微生物K/r策略比、碳利用效率（CUE）及βG酶活性，共同驱动SOC及其组分损失（图2）。其中，夜间增温通过提高日最低温，促进微生物生长并提升CUE，进而增强微生物生物量积累和碳降解酶活性，加速POC分解。本研究中CUE与SOC及其组分呈显著负相关，支持“高CUE加速SOC分解”而非“高CUE促进碳固存”的假说。进一步分析发现，不同碳组分的响应路径存在分化：POC损失主要受土壤温度和CUE驱动，而MAOC损失则由土壤温度、含水量和K/r策略比共同调控（图3）。
文章关键的创新在于找到微生物“换挡”的证据。夜间增温并未显著改变微生物α、β多样性，却使群落向生长快、善于利用易分解底物的r策略者偏移；同时，微生物碳利用效率和碳降解酶活性提高。更高的碳利用效率并不等于更多碳被长期保存，它与微生物生长需求、酶投入和底物周转同步增强，最终加速两类碳组分的消耗。研究强调了将昼夜不对称增温纳入碳-气候反馈模型的迫切性，并揭示了微生物生活史策略转变在理解土壤碳动态对昼夜不对称增温响应中的关键作用。
图1. 昼夜不对称增温对土壤有机碳、碳组分、土壤CO₂通量及Q₁₀的影响
图a–c分别为昼夜不对称增温下SOC (a)、POC (b)、MAOC (c)的变化；图e–g分别为昼夜不对称增温下POC占比(e)、MAOC占比(f)及POC/MAOC比值(g)的变化；图(d)为2022年6月土壤CO₂通量，图(h)为其温度敏感性Q₁₀。
图2. 冗余分析（RDA）与结构方程模型（SEM）分析揭示昼夜不对称增温对土壤碳组分的影响
（a）RDA解释不同碳组分与土壤性质及微生物指标之间的多元关系。（b）SEM分析了昼夜不对称增温对土壤碳组分的多变量影响路径。（c）SEM中各变量对POC的标准化总效应、直接效应和间接效应。（d）SEM中各变量对MAOC的标准化总效应、直接效应和间接效应。
图3. 昼夜不对称增温对POC和MAOC调控的概念图
POC，颗粒态有机碳；MAOC，矿物结合态有机碳；CUE，微生物碳利用效率。
上述研究成果以“Nighttime warming intensifies soil organic carbon loss and reshapes microbial carbon processing ”为题，于2026年8月18日在线发表在生态学经典期刊Journal of Plant Ecology，该研究是继我院周婷教授团队在Geoderma（2024年5月）全球变化昼夜增温下土壤微生物群落多样性变化的新模式后的又一成果。我院2025届赵盼盼博士（现为太原学院讲师）为论文第一作者，周婷教授为通讯作者；我院刘碧颖博士、黄仰婷博士、赵恒君博士、方文强博士生参与了此项工作；彭少麟教授指导了该项工作。合作者还包括西北农林科技大学郭晓伟副教授和中科院植物研究所陈蕾伊研究员。
论文链接：https://doi.org/10.1093/jpe/rtag189
