森林生态系统土壤微生物碳利用效率的垂直分布格局及其驱动机制

本研究针对全球土壤碳库中深层土壤碳动态预测的瓶颈问题，通过跨60个森林站点的大尺度采样，首次揭示了微生物碳利用效率(CUE)随土壤深度递减的规律。研究人员采用18 O-H2 O同位素标记等创新方法，发现表层土壤(0-10 cm)CUE受微生物多样性主导，而深层土壤(70-100 cm)则主要受物理化学保护机制调控。该成果为完善全土层碳循环模型提供了关键参数，对预测气候变化下土壤碳库反馈具有重要意义。

　　

土壤作为地球上最大的有机碳库，储存着约1500 Pg碳，其中超过50%隐藏在30厘米以下的深层土壤中。这些"沉睡的碳"如何响应气候变化，一直是全球碳循环研究的核心难题。微生物作为土壤碳转化的"守门人"，其碳利用效率(CUE，即微生物将吸收碳转化为生物量而非呼吸释放的比例)直接决定了碳的归宿——是被封存还是以CO₂
形式重返大气。然而现有研究多聚焦表层土壤，对深层土壤中微生物CUE的认知仍如"盲人摸象"，导致全球碳模型预测存在显著偏差。

为破解这一科学难题，中国科学院城市环境研究所联合国内外多家机构的研究人员，在《Nature Communications》发表了突破性成果。研究团队横跨热带至寒带森林生态系统，系统采集60个站点从表层(0-10 cm)至深层(70-100 cm)的土壤样品，创新性地结合¹⁸
O-H₂
O同位素标记技术、微生物互作移植实验和结构方程模型等方法，首次绘制出微生物CUE的"垂直地图"。关键技术包括：(1)采用¹⁸
O标记水测定微生物生长与呼吸的碳分配；(2)设计土壤团聚体破碎与微生物交叉接种实验验证机制；(3)整合气候、植被、土壤理化与微生物多维度数据构建驱动模型。

深度依赖性CUE变化模式
研究发现微生物CUE呈现显著的"递减式"垂直分布：表层土壤均值0.35±0.15，至深层(70-100 cm)降至0.16±0.07。这种模式在除热带外的所有森林类型中均成立。尤为关键的是，CUE与土壤有机碳(SOC)的关系发生深度逆转——表层呈正相关(R²
=0.38)，深层却转为负相关，暗示不同土层存在截然不同的碳周转机制。

驱动机制的深度分异
通过分类回归树(CART)和结构方程模型(SEM)等多重验证，研究揭示出"微生物主导-物理化学主导"的驱动范式转换：

• 表层土壤：细菌多样性(Shannon指数)解释42%的CUE变异，高多样性群体通过代谢互补提升碳转化效率
• 亚表层(35-50 cm)：碳有效性指数(CAI)成为主要驱动力，底物质量决定微生物能量分配策略
• 深层土壤：微团聚体(<0.25 mm)和铁氧化物结合碳(OC-Fe)等物理化学保护因素主导，保护强度每增加1个单位，CUE降低23%

机制验证实验
微生物互作移植实验证实：将深层低多样性菌群接种至表层土壤，CUE显著降低28%(P<0.01)，而反向操作无影响。团聚体破碎实验显示，破坏深层土壤结构可使CUE提升19%，葡萄糖添加实验进一步证实底物限制是深层CUE的关键约束。

这项研究建立了首个全土层微生物CUE驱动框架，其科学价值体现在三方面：

1. 理论突破：修正了"深层CUE升高"的传统假说，提出"多样性-保护机制"的权衡理论，阐明微生物代谢策略随深度演变的规律。
2. 方法创新：开发的¹⁸
   O-H₂
   O技术克服了传统底物添加法对原位条件的干扰，为深层土壤研究提供新工具。
3. 应用指导：指出表层土壤可通过增加微生物多样性提升碳封存，而深层土壤需改善底物可用性，为差异化土壤管理提供依据。

该成果由裴俊敏、李金全等学者完成，不仅填补了"地下碳世界"的认知空白，更将为下一代地球系统模型提供关键参数，助力精准预测全球碳循环-气候反馈。正如审稿专家所言："这项研究标志着土壤碳循环研究从‘平面’走向‘立体’的重要转折。"