编译：达达兔，编辑：小菌菌、江舜尧。

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一共进行三个实验，实验有5次重复。每个实验设计了一系列的20个166mlPVC的微型管，PVC微型管中包含30g持水能力调节到50%的田间湿润土壤。

实验1：干湿循环和冻融循环的影响

微型管在12℃下预培养一个月。然后土壤暴露在以下4种条件下一周：在12℃培养，在-4℃下培养（冷冻），在21℃培养，去掉盖子在21℃培养（干燥）。一周后，所有的微型管都在12℃下培养，含水量调节为50%的持水量。对微型管进行取样来测定温室气体的排放，并用液氮将土壤速冻保存，用于RNA和DNA分离实验。

实验2：干湿循环对冻融循环的影响

第二个实验中，另外的20个微型管暴露在另一个干湿循环中。在湿润过程中测量温室气体排放。土壤样品再湿润过程一周后用液氮速冻保存。

实验3：冻融循环对干湿循环的影响

第三个实验中，按照实验2的方法对另外的20个微型管进行分析，实验三的20个微型管是暴露在冻融循环的条件下。

温室气体测量：

土壤再湿润过程或解冻过程后，从微型管中取4g土壤样品置于54ml的呼吸瓶中，加压空气通气，用橡胶片密封，12℃下暗箱培养。每24-48h测量气体样品中CO2, CH4和N2O含量。实验1的气体采集时间为土壤再湿润过程或解冻过程后26、57、98、142和166h采集。实验2和实验3的气体采集时间为22, 47、72、111、140和166 h。

核酸分离：

土壤再湿润过程或解冻过程一周后，用液氮速冻2g土壤，保存在-80℃条件下。利用PowerSoil®总RNA分离试剂盒，根据使用说明分离RNA。

1 温室气体排放和微生物丰度

与对照相比，干湿处理和冻融处理的CO₂排放量均有增加（图2A）。干湿循环处理释放的CO₂比湿润处理大约高出4倍，冻融循环处理释放的CO₂是湿润处理的1.5倍。与其它影响因素相比，在第二个干湿交替循环中，干湿交替减少了二氧化碳的释放量（图2B），而在冻融循环过程后的干湿交替增加了二氧化碳的释放量（图2C）。在冻融循环中，冻融过程往往会减少二氧化碳的释放。

图2 再湿润和解冻过程一周内累积释放的二氧化碳。A显示实验1的土壤累计呼吸，检测干湿循环和冻融循环的对比效果。B显示实验2的土壤累计呼吸，检测冻融循环对干湿交替循环的影响。C显示实验3的土壤累计呼吸，检测干湿交替循环对冻融循环的影响。12℃代表在12℃下预培养，21℃代表在21℃下预培养。DW代表干湿交替循环。FT代表冻融循环。

2 序列

在一个干湿交替循环中，干湿交替影响16S序列谱，在冻融循环中16S序列谱不同，在第二个干湿交替循环中16S序列谱没有变化。在有一次干湿循环过程的土壤中分离cDNA水平的16S谱图（图3A），干湿交替循环之前有两个次湿交替循环或干湿交替循环之前有一次冻融循环时，两者之间的差异不大（图3B），相比之下，冻融循环之前有干湿交替循环的，分离出的cDNA水平的16S谱图如图所示（图3C）。

图3 基于原核生物cDNA在Bray-Curtis不同的CAP排序的冗余分析。A显示实验1，测试干湿交替循环(DW)或冻融循环(FT)周期是否会影响原核生物群落。B显示实验2，测试不同的遗留是如何影响微生物对干湿交替循环的反应。C显示实验3，测试在添加的冻融循环中，不同的遗留是如何影响微生物群落。

干湿交替循环的遗留也对ITS2图谱有影响。在冻融循环或第二次干湿交替循环中，ITS2图谱不同。在有一次干湿循环过程的土壤中分离ITS2-DNA和cDNA图谱（图4A）。两次干湿交替循环后的图谱不同（图4B）。此外，干湿交替循环的遗留对冻融循环的ITS2图谱有影响（图4C）。

图4 基于ITS2的cDNA在Bray-Curtis不同的CAP排序的冗余分析。A显示实验1，测试干湿交替循环(DW)或冻融循环(FT)在原核生物群落的遗留是否不同。B显示实验2，测试不同的遗留是如何影响微生物对干湿交替循环的反应。C显示实验3，测试在添加的冻融循环中，不同的遗留是如何影响微生物群落。

3 原核生物中的响应组

一共鉴定了5个响应组的16S-cDNA图谱，有259个OTU（图5）。第一组中，有两次干湿交替循环样品的OTU相对丰度最高，其次是有一次干湿交替循环过程样品；没有干湿交替循环过程的OTU相对丰度最低。第二组中，有一次干湿交替循环过程或者有两次干湿交替循环过程的样品的OTU相对丰度较高。第三组中，在12℃和21℃处理下，OTU相对丰度最高，当暴露在干湿交替循环处理或者两次冻融循环处理下OTU相对丰度降低。第四组中，有一次干湿交替循环过程或者有两次干湿交替循环过程的样品的OTU相对丰度较低。第五组中，有一次或者两次波动的样品中OTU相对丰度较高（图5）。

图5 cDNA水平上16S扩增子的响应组

4 ITS2的响应组

一共鉴定了3个响应组的111 ITS2-cDNA图谱（图6）。第一响应组中，有一次干湿交替循环过程或者有两次干湿交替循环过程的土壤OTU相对丰度较低。相反的是，第二响应组中，有过一次干湿交替循环过程或者两次干湿交替循环过程的土壤OTU相对丰度较高。由于遗留因素，第三组显示出不同的响应模式：有两次干湿交替循环过程，或者干湿交替循环过程在冻融循环之前的OTU相对丰度最高；其次是土壤有一次干湿交替循环过程的OTU相对丰度；没有干湿交替循环过程的OTU相对丰度最低。担子菌门和肾小球菌门的OTUs在一到两次干湿交替循环后下降。原生动物丝足虫类的OTUs在经过1、2个干湿循环后增加。

在ITS2-DNA图谱中，鉴定了由149个OTUs组成的四个响应组。第一响应组中，在冻融循环之前有一次干湿交替循环过程或者有两个干湿交替循环过程的OTU相对丰度最高。在第二响应组中，有过一次干湿交替循环过程或者两个干湿交替循环过程的土壤OTU相对丰度较高。在第三响应组中，暴露在一次干湿交替循环过程或者两次干湿交替循环过程又或者一次冻融循环的OTU相对丰度较高。在第四响应组中，有过一次干湿交替循环过程或者两个干湿交替循环过程的土壤OTU相对丰度最低。

图6 ITS扩增子在cDNA水平的响应组。A表示与平均相对丰度相比每个处理的每个OTU的z-得分的热图。B表示每个组门水平上相对丰度的条形图。

5 微生物相对丰度与二氧化碳排放的相关性

在单次波动后以及后续是干湿交替循环的波动之后，16S-cDNA（图7）和ITS2-cDNA（图8）OUT发现两个主要的共响应簇。对于16S-cDNA，酸杆门菌大多受干湿交替循环的负面影响，与干湿交替循环的CO₂释放量呈负相关。放线菌门和变形菌门大多是受干湿交替循环影响的菌群，而且与干湿交替循环的CO₂释放量呈正相关（图7A-F）。如果初始处理之后是冻融循环处理，那么以上的两种主要共同反应簇基本不存在。在这些处理中，相对丰度和CO₂释放量之间的相关性较低（图7G-I）。

图7cDNA水平上16S OUT的共响应网络及其相对丰度与CO2排放的相关性。

图8 cDNA水平上ITS2 OUT的共响应网络及其相对丰度与CO2排放的相关性。

本研究的研究结果与之前假设的内容不相符，即干湿交替循环和冻融循环会使微生物群落对其它的波动更加耐受。经过干湿交替循环和冻融循环会影响CO₂释放和土壤微生物群落组成。经过1、2次干湿交替循环后的微生物群落组成与其它无干湿交替循环处理的微生物群落组成更接近。这一发现证实了前人的研究结果，即土壤中的原核生物受到实验干燥处理后更能忍受其它的干湿交替循环处理。微生物群落对冻融循环处理的反应比干湿交替循环的反应强烈，其中的一个原因可能是干湿交替循环对土壤微生物具有更大的生理压力。

总之，有干湿交替过程对土壤微生物组成及对以后的波动的响应有影响。经历过干湿循环的土壤微生物可能会影响微生物群落对将来扰动的响应。此外，干旱和冻结后土壤微生物群的变化可能影响将来的土壤过程和生态系统服务功能。例如，干旱暴露的微生物群落影响碳循环和植物种类对其它扰动的反应。因此，经历过干湿交替循环导致的微生物群落变化可能对生态系统功能产生影响。

气候变化改变了土壤干湿循环和冻融循环的频率和强度。干湿循环和冻融循环波动影响了土壤水分状态及其生物有效性。土壤微生物对干湿循环和冻融循环的响应是敏感的、耐受的还是偶然性的，这些不同的响应取决于微生物对干湿循环和冻融循环的环境生态位。虽然这些波动在土壤微生物结构上留下痕记，但问题是，一种气候波动的影响（例如干湿交替）是否影响了群落对另一种气候（例如冻融交替）的反应。由于这两种气候现象的水分利用率变化相似，所以在研究时假设冻融和干湿循环对土壤微生物有相似的影响。本研究假设无论环境波动是否相同，即经历过一次干湿循环或一次冻融循环，都会使微生物群落组成更能忍受另外的波动。为了验证这个假设研究人员设计了三个实验。第一个实验是验证在干湿循环或冻融循环中，微生物的群落组成和功能是否相似。第二个实验主要研究冻融循环的遗留影响是否会影响土壤微生物群落对干湿交替循环的响应。第三个实验主要是研究干湿交替循环的遗留影响是否会影响土壤微生物群落对冻融循环的响应。研究人员将土壤样品暴露在冻融循环或干湿循环（第1阶段）中，然后再进行另外一个循环，干湿循环或冻融循环（第2阶段）。测量土壤呼吸，分析土壤微生物群落组成。实验结果表明，与冻融循环过程相比，干湿循环过程中CO₂脉冲增大，微生物结构改变。在下面的冻融循环过程中，干湿循环影响了微生物群落和二氧化碳排放。相反的是，冻融循环过程并没有影响微生物对干湿循环过程的反应。因此，干湿循环对土壤微生物群落和CO₂生成的影响高于冻融循环，经历过干湿交替循环导致的微生物群落变化可能对生态系统功能产生影响。

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