【摘要】 本研究由复旦大学李金全团队在《Nature Communications》（IF=14.7）发表，通过对全球60个从热带到寒带的森林点位进行大规模采样，首次系统揭示了土壤微生物碳利用效率（CUE）随深度增加而显著降低的普遍规律（0-10cm: 0.35; 70-100cm: 0.16）。研究创新性地发现表层土壤CUE主要由微生物多样性驱动，而深层土壤CUE则受团聚体、铁铝氧化物等物理化学保护机制主导。该成果强调了在碳循环模型中纳入深度特异性驱动因子对于准确预测土壤碳储量和气候反馈至关重要。

文章信息

题目：Patterns and drivers of soil microbial carbon use efficiency across soil depths in forest ecosystems 森林生态系统中不同土壤深度土壤微生物碳利用效率的模式和驱动因素

期刊名称：Nature Communications

影响因子IF：14.7

通讯作者：复旦大学 李金全

测试项目：CUE、土壤团聚体测试、SOC、pH高通量测序、铁/铝氧化物、矿物结合态有机碳等

 

摘要

地下 30 厘米以下的次生土壤存储了全球土壤碳的一半以上。微生物碳利用效率（CUE）是微生物对土壤碳转化的关键指标，但人们对微生物在不同土壤深度下的普遍模式和驱动因素仍然不甚了解。本研究通过对跨越热带到寒带的 60 个地点进行的大规模土壤采样，旨在揭示土壤微生物碳利用效率（CUE）随深度变化的规律及其驱动机制。通过实验（如葡萄糖添加、微生物互换、团聚体破坏）与多种统计分析，发现CUE随土壤深度增加而显著降低。在表土层（0-10 厘米），微生物 CUE 主要受微生物多样性的调节，而在深层次土壤（70-100 厘米），则主要由土壤的物理化学保护因素驱动。研究结果强调了在碳循环模型中纳入特定深度的微生物 CUE 驱动因素的必要性，以更准确地预测整个土壤中的碳存储及其对气候变化的反馈。

 

创新点

揭示微生物碳利用效率随土壤深度递减的普遍规律

通过覆盖从热带到寒带森林的60个样点大规模采样，首次系统性地发现并量化了微生物碳利用效率（CUE）随着土壤深度增加而显著降低的趋势，填补了不同土层微生物CUE宏观格局认知的空白。

明确不同土层CUE的主控因子

利用多元分析和实验手段，首次揭示表层土（0–10 cm）微生物CUE主要受微生物多样性驱动，而深层土（70–100 cm）微生物CUE则主要受土壤理化保护机制支配，阐明了深度依赖性的主控机制。

提出将深度特异性CUE主控因子纳入碳循环模型的新思路

强调在预测森林生态系统土壤有机碳储量和气候反馈时，应将不同深度的微生物碳利用效率及其驱动因子整合进碳循环模型，提升模型预测的准确性和科学性。

 

研究结果

土壤深度是影响微生物CUE的主要因素，而气候因素影响较小。

Fig.1a ：展示了微生物碳利用效率（CUE）在热带至寒带森林之间的空间变化，结果显示CUE在不同地理位置和森林类型间存在显著差异。

Fig.1b ：显示CUE随土壤深度增加而显著下降，顶层土壤（0-10 cm）、底层土壤（30-50 cm）、深层底土（70-100 cm）的CUE均值分别为0.35、0.21和0.16（P <0.05），说明土壤深度是影响CUE的关键因素。

Fig.1c：进一步分森林类型（如热带、亚热带、温带、寒带）比较不同土层的CUE，发现除热带和亚热带森林外，其他类型均表现为CUE随深度增加而下降，而热带和亚热带森林的底层与深层土壤间无显著差异（P >0.05）。

Fig.1：CUE的点位分布与深度相关性分析

不同土层中CUE与SOC的关系存在显著的深度依赖性。

Fig.2a：在表层土壤（topsoil），微生物CUE与SOC呈显著正相关，即SOC越高，CUE越高（P <0.001）。

Fig.2b：在底层土壤（subsoil），CUE与SOC同样呈正相关，但相关性较表层土壤弱（P <0.001）。

Fig.2c：在深层底土（deep subsoil），CUE与SOC呈显著负相关，即SOC越高，CUE反而越低（P <0.05）。

 

Fig.2：土壤有机碳 (SOC) 与微生物碳利用效率 (CUE) 之间随深度变化的关系

表层和底层土壤的微生物CUE主要受底物条件和微生物多样性调控，而深层底土则主要受理化保护影响，土层深度决定了主要调控因子的转变

Fig.3a（表层土壤）：在表层土壤中，微生物碳利用效率（CUE）主要受底物特性和微生物属性的显著影响，气候、植被碳输入和理化保护并不是主要驱动因素。

Fig.3b（底层土壤）：在底层土壤中，CUE同样由底物特性和微生物属性显著调控，且这两类因子的影响力较强。

Fig.3c（深层底土）：在深层底土中，仅有理化保护变量（如团聚体结构、铁矿物结合等）对CUE具有显著影响，而底物特性和微生物属性不再是主要驱动因素。

Fig.3d-f：标准化总效应分析显示，底物特性和微生物属性对表层和底层土壤CUE的解释力最高，而深层底土CUE的变异主要由理化保护主导。

 

Fig.3：生物和非生物因素对土壤各层微生物碳利用效率 (CUE) 的影响途径

 

研究结论

土壤CUE的主导因子随深度发生变化：顶层土壤主要由微生物多样性控制，深层土壤主要受团聚体和矿物等物理—化学保护影响，为深入理解碳循环机制提供技术支撑。这些结果为优化土壤管理、提升土壤碳汇提供了理论依据，并提示未来应针对不同土层采取差异化的微生物和物理-化学调控策略。

 

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