土壤pH是维持地球生物生长和生存的关键因素，然而由于土壤系统的复杂性，很难预测未来气候变暖下的土壤pH变化。由于土壤的缓冲能力，土壤pH值在受到外界干扰时一般也会保持相对稳定的状态，但土壤pH值并非一成不变，如微生物参与的氨化和反硝化过程会使得pH值上升。土壤微生物群落可以对气候变暖快速响应，同时与土壤pH高度相关，是气候和土壤系统的桥梁，因此微生物可以作为土壤pH变化的生物指示物。
中国科学院环境生物技术重点实验的邓晔团队围绕着“气候情境-微生物-土壤属性“的框架，提出了核心细菌预测模型（CoBacFM），用于研究全球草地在当前和未来气候条件下的核心土壤微生物生物地理分布。该模型通过提取全球核心微生物物种和与环境变化高度相关的生态类群，大大降低了微生物群落分析的复杂度。我国的研究人员与国际同行广泛合作，联合美国、德国、加拿大、瑞典、爱沙尼亚等国家的12个研究团队，系统收集和整理了来自全球1251个草地生态系统中3703个土壤样本，利用16S rRNA基因高通量测序数据，结合土壤样点的气候信息、土壤理化指标、植被等地理信息数据，采用10×交叉验证的Cubist决策回归树方法，训练CoBacFM模型，探究了未来三种气候情境下不同时间阶段的草地核心微生物组和土壤pH的地理分布与变化趋势。
据模型结果估计，63.8%-67.0%的草地区域土壤pH值将升高，10.1%-12.4%的地区土壤pH值将降低。同时，全球约有三分之一左右的碱性或近中性草地区域，在未来其碱性程度增强，pH值将上升5.6%，尤其在东北亚、非洲和大洋洲的草地区域较为明显，同时碱化区域在所有未来情境中都会逐渐扩大。这些结果得到了中国青藏高原草地、内蒙古草地、冰岛、北美等全球14项野外草地的模拟增温样地实验的验证。
相关成果发表在Cell子刊、环境与生态Top期刊One Earth （IF=15.1）。课题组助理研究员冯凯为论文第一作者，邓晔研究员为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划中沙合作项目、国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金和云南省烟草公司文山州公司等项目的支持。
图1 全球草地土壤pH值分别在未来3种气候情境下的4个时间段的变化
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.06.002
中国科学院环境生物技术重点实验室