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近日，水土保持与荒漠化整治全国重点实验室在土壤碳循环领域取得新进展。研究成果以“Global Change Modulates Microbial Carbon Use Efficiency: Mechanisms and Impacts on Soil Organic Carbon Dynamics”为题发表在生态环境领域顶级期刊Global Change Biology上（5年影响因子=13）。西北农林科技大学水土保持与荒漠化整治全国重点实验室为第一单位，石经玮博士为论文第一作者，邓蕾研究员为通讯作者。

微生物碳利用效率（CUE）是土壤碳循环中的关键参数，其可以衡量土壤有机碳（SOC）形成和分解的平衡，将微生物CUE整合到地球系统模型中可以显著提高模型对土壤碳循环模型的精度。然而，由于研究方法的多样性，微生物CUE对全球变化的响应模式及驱动因素尚不明确，且全球变化下CUE-SOC之间的关系仍不明确，以上问题严重制约了我们对土壤有机碳-气候变化反馈的理解。基于此，课题组汇编微生物CUE的所有测定方法，通过对全球多样点数据进行系统分析，探究全球变化因子对微生物CUE的影响。取得主要结果如下：

（1）全球范围内，土地利用转换和自然恢复措施是影响CUE的最关键因子。退耕还林和植被恢复等措施分别使CUE降低了11%和17%（图1）。这是由于植被恢复后凋落物数量的增加通过激发效应增加土壤碳的损失，从而降低了CUE。相比之下，天然草地恢复使CUE提高了41%，这表明在气候变化背景下，重视草地恢复是增强陆地土壤碳汇的有效策略。另外，恢复年限和生态系统类型是CUE的重要影响因素。例如，短期植被恢复（< 30年）对CUE没有影响，而长期效应显著；退耕还林在温带地区降低了CUE（-12%），而在亚热带地区无显著影响。这些结果表明在实施退耕还林等工程时需建立区域差异化管理框架，将恢复年限纳入中长期生态效益评估体系，以优化碳汇功能的可持续提升路径。

图1 土壤微生物碳利用效率对全球变化的响应

（2）CUE对气候变化因子和大多数施肥措施的响应不敏感。在各施肥处理中，只有氮磷钾施肥处理显著增加了CUE（+18%），这是因为营养物质的联合施用可以使植物产生高质量的碳源，减少土壤微生物的养分限制，从而增加了CUE。施肥类型和速率是CUE的重要影响因素。由于有机肥料比无机肥料更容易被微生物吸收，从而增加微生物活动，所以，施用有机肥和高水平的磷肥（100 kg ha⁻¹ yr⁻¹）使CUE分别增加了11%和7%，而且，高磷添加率降低了微生物磷限制，从而增加了CUE。这些结果表明在农业系统中碳汇管理应优先采用氮磷钾协同配施方案，并在有机肥施用中配套建立磷素精准调控机制，通过优化养分互作关系提升土壤碳汇潜力。

（3）土壤pH值的变化是影响CUE的主要因素，CUE随着pH的增加而增加。在未来气候变化情景下，碱性土壤的CUE增加幅度大于酸性土壤。这是因为微生物在低pH条件下需要更多的能量来克服H⁺/Al³⁺胁迫。在低pH环境下，细菌和真核生物之间的资源竞争加剧，这些变化最终导致CUE的减少。pH对全球变化因子的响应比CUE的变化更快，这表明微生物对pH变化的反馈延迟，土壤酸化对CUE的影响可能比最初预期的要慢。

（4）在退耕还林等植被恢复情景下，CUE-SOC之间存在负相关关系。而在其他全球变化情景下，CUE-SOC之间无显著关系。这是因为微生物对碳的利用代表了有机碳形成的初始阶段，在SOC形成过程的后期阶段中，碳的稳定性（即微生物碳泵）在评估SOC储存时通常更加关键，而这一点在最新的全球CUE模型中往往被忽视。

（5）首次利用随机森林模型尝试获得气候变化对CUE的长期影响，模型综合考虑了CUE的主要影响因素包括pH、土壤理化性质和气候因子在内的多种环境变量。结果表明在三种共享社会经济路径（SSPs）下，微生物CUE预计到2100年变化缓慢（图2）。这些结果表明，土壤微生物群落对气候变化的适应能力可能比以前假设的更强，同时强调了当前模型的局限性，并增加了我们对生态过程的理解。

图2 未来不同气候变化情景下全球微生物碳利用效率的变化趋势

该研究提供了全球变化下土壤碳循环的新视角，拓宽了对陆地生态系统中微生物介导碳转化途径的理解。

该研究得到国家自然科学基金（42277471）和国家自然科学基金联合基金重点项目（U2243225）等资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.70240