微小真菌增强了北极冰川消融所形成的新景观中的土壤碳储量

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正在融化的北极冰川正在迅速消退，微生物在新暴露的土地上繁衍生息。伦敦玛丽女王大学生物与行为科学学院北极生物地球化学荣誉教授詹姆斯·布拉德利博士及其团队发现，冰川消融后，酵母在北极土壤形成过程中发挥着重要作用。
地球表面约有 10% 被冰川覆盖。然而，由于全球变暖，冰川退缩的速度越来越快，退缩的幅度也越来越大。与此同时，新的地貌暴露出来，而这些地貌在数千年间一直被冰雪覆盖。
冰川消融后，微生物开始在如今可接触的基岩上繁衍生息，积累养分，形成新的土壤和生态系统。由于土壤在适当条件下可以成为重要的碳储存库，因此冰川融化后新土壤的形成方式是一个具有重大科学和社会意义的问题。
为了研究北极土壤的形成，布拉德利博士带领的研究小组前往斯瓦尔巴群岛——这是一个群岛，位于北极和挪威北部海岸中间，远在北极圈以北。这里的气候变暖速度是世界其他地区的七倍，冰川正在迅速消融。
裸露在外的贫瘠土地几乎无法养活任何形式的生命：岩石地形缺乏养分，温度连续数月降至冰点以下，而且由于纬度高，冬季极夜期间完全没有阳光。这片不适宜生存的土地上最早的拓荒者是细菌和真菌等微生物。
这些微生物决定了土壤中可以储存多少碳和氮——但人们对这种通过微生物活动稳定养分的确切过程知之甚少。布拉德利和他的团队研究了这些土壤，以更好地了解微生物在冰川消失后如何促进土壤形成的过程。
该项研究由来自德国、美国和瑞士的其他研究人员参与，研究结果已发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上。
殖民时间表
这项研究的重点是位于斯匹次卑尔根岛西北部正在消退的山谷冰川 Midtre Lovénbreen 的前场。詹姆斯·布拉德利博士于 2013 年首次在该地点工作，他说：“十年前，我走在冰面上，往冰川里钻冰芯。当我们在 2021 年回来时，冰川已经萎缩，冰不见了，取而代之的是贫瘠的、看似毫无生机的土壤。”
但经过对这些土壤的实验室分析，研究人员发现它们含有极其多样化的微生物群落，这是地球上最小和最简单的生命形式。
新暴露的地区非常适合研究土壤的渐进变化，因为它们是观察土壤发育各个阶段的天然实验室。靠近冰川边缘的土壤最年轻，而远离消退冰川的土壤则逐渐古老——时间流逝，生命得以在这片土地上繁衍生息。
布拉德利博士说：“这些是地球上最原始、最脆弱和最脆弱的生态系统，尽管它们受到极端温度、光照、水和营养物质的影响，但仍迅速被特殊的微生物所占领。”
为了适应午夜的阳光和多变的天气，科学家们花了数周时间在冰川前区岩石遍布、地形崎岖的地区工作。冰川前区周围是冰裂缝、小须鲸和海豹栖息的峡湾，以及北极狐、驯鹿和北极熊共同栖息的苔原。研究人员接受了识别北极熊行为和安全使用枪支的培训，以防在偏远的北极环境中工作时遇到熊。
先锋真菌在土壤中封存碳
布拉德利的团队通过 DNA 分析研究了土壤的微生物组成，同时测量了碳和氮的循环和流动。通过涉及同位素标记氨基酸的实验，他们能够精确跟踪微生物对有机碳的吸收和代谢。
“我们特别感兴趣的是，微生物将多少比例的碳作为生物质锁在土壤中，以及它们将多少碳以二氧化碳的形式释放回大气中，”该研究的主要作者、德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学的胡安卡洛斯特雷霍斯-埃斯佩莱塔说。
他们主要研究的是真菌——一类微生物，它们通常比细菌更善于在土壤中储存和保留大量碳。真菌与细菌的比例是碳储存的重要指标：真菌越多，土壤中的碳就越多，而细菌越多，通常会导致土壤排放更多的二氧化碳。
德国慕尼黑大学的威廉·奥尔西教授说：“在北极高海拔生态系统中，真菌的种类与植物相比特别多，这增加了真菌群落作为生态系统工程师在那里发挥关键作用的可能性。”
更多地了解真菌和细菌群体的碳吸收过程以及生态系统中的碳流动过程，对于准确预测北极陆地生态系统如何应对未来变暖至关重要。
事实上，研究人员能够证明，真菌——或者更准确地说，特定的担子菌酵母——在早期稳定同化碳方面起着决定性的作用。根据这项研究，它们是冰后年轻土壤中的真菌先驱，对有机碳的富集做出了决定性的贡献。
布拉德利博士说：“我们发现，这些特殊的真菌不仅能够在任何其他更复杂的生命之前在恶劣的北极环境中定居，而且它们还通过建立其他生命可以利用的有机碳基础为土壤的发展提供了立足点。”
在较老的土壤中，细菌越来越多地控制氨基酸的吸收，导致生物质的形成显著减少，呼吸产生的二氧化碳排放量增加。
“我们的研究结果表明，随着冰川进一步缩小以及地球表面越来越多的面积被土壤覆盖，真菌将在未来北极土壤的碳储存中发挥关键作用，”奥尔西教授总结道。