地球環境所揭示植被生產力驅動土壤微生物碳利用效率與呼吸作用的解耦

全球土壤碳循環對氣候變化反饋具有重要影響，其中微生物碳利用效率（CUE）與異養呼吸（Rh）的關系是預測碳儲存的關鍵。微生物碳利用效率（CUE）?是衡量微生物將吸收的有機碳轉化為自身生物量（生長）而非呼吸釋放為CO2的關鍵指標。它直接調控著生態系統的碳儲存與周轉：CUE較高時，微生物能更有效地將碳固定在生物量和土壤有機質中，增強碳匯功能，有助于緩解氣候變化。CUE較低時，大部分碳通過呼吸釋放回大氣，加速碳循環，可能加劇溫室效應。傳統觀點認為CUE與Rh呈線性負相關，但這一假設在自然生態系統中的適用性存在爭議（圖1）。

為解決這一爭議，中國科學院地球環境所聯合國內外學者，通過整合全球數據，采用基于化學計量的方法估算CUE（CUEST），編譯了全球1094對觀測數據，覆蓋熱帶至寒帶等多種生態系統。研究發現，在低生產力地區（如干旱和寒冷區域），CUE隨Rh增加而顯著下降，符合傳統模式；但在高生產力地區（如熱帶和溫帶），當Rh超過每年340克碳/平方米時，CUE穩定在0.27左右，與Rh解耦。這種解耦現象通過地理分布和閾值分析得到驗證（圖2）。機制分析表明，解耦源于微生物的適應性策略：在高生產力環境中，微生物優先投資能量獲取限制性養分（如氮和磷），以維持元素平衡，導致碳釋放增加而生長效率穩定。這解釋了為何植被綠化可能加速土壤碳流失，而外源營養輸入或許能增強碳封存。

該成果揭示了生態系統生產力如何驅動CUE與Rh的非線性關系，為土壤碳管理提供了新視角。研究強調，將微生物代謝適應性納入模型，可提升全球變化下碳循環預測的準確性。成果近期發表于Science Advances，中國科學院地球環境研究所陳驥研究員為通訊作者，博士后崔勇興為論文第一作者。

Cui, Y., Peng, S., Delgado-Baquerizo, M., Moorhead, D.L., Sinsabaugh, R.L., Terrer, C., Smith, T.P., Kuzyakov, Y., Pe?uelas, J., Zhu, B., Tao, F., Hong, S., Chen, J., Rillig, M.C., 2026. Productivity-driven decoupling of microbial carbon use efficiency and respiration across global soils. Science Advances 12, eadz5319, 10.1126/sciadv.adz5319

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz5319

圖1.微生物碳利用效率（CUE）與呼吸作用速率（Rh）之間概念框架圖。

圖2. 樣本采集點的地理分布以及微生物碳利用效率與年平均相對濕度之間的關系。