元素计量失衡：土地利用如何瓦解土壤生物多样性与生态系统稳定的纽带

为揭示土地利用集约化如何影响多营养级土壤生物多样性与生态系统稳定性的关系，研究人员在亚热带44个站点开展跨尺度调查，发现农业转化通过改变土壤碳磷比（C:P）等元素计量学特征，导致土壤生物多样性与植物生产力时间稳定性（以NDVI衡量）的正相关关系解耦，这一发现为全球土壤健康管理和可持续农业提供了关键科学依据，强调了优化养分输入策略的重要性。

　　

在人类对粮食需求不断增长的背景下，过去三个世纪里，大量自然生态系统被转化为农田和果园。这种土地利用集约化浪潮已改变了全球32%的土地，引发了植物多样性急剧下降的连锁反应。然而，土壤——这个隐藏着每克数百至数千种微生物和线虫的“暗物质世界”——其生物多样性如何响应土地利用变化？更重要的是，土壤生物多样性与生态系统稳定性之间的纽带是否会被打破？这些问题长期悬而未决。尽管研究证实植物多样性丧失会削弱生态系统功能，但土壤多营养级生物（从细菌到捕食性线虫）在维持系统稳定中的作用却被忽视。更棘手的是，亚热带地区作为生物多样性热点，正面临农业扩张的严重威胁，而土壤资源均质化和养分输入失衡可能导致不可逆的生态退化。因此，揭示土地利用对土壤“生命网络”的跨尺度影响，不仅是生态学理论的关键拼图，更关乎全球粮食安全和生态韧性。

面对这一挑战，江苏农业生物多样性培育与利用中心的研究人员领导了一项创新性研究。他们基于中国亚热带地区44个站点的528份土壤样本，覆盖森林、果园和农田的土地利用梯度，系统评估了细菌、真菌和线虫等多营养级生物在α-（局地）、β-（群落间）和γ-（区域）多样性尺度上的变化，并结合2000-2020年归一化差异植被指数（NDVI）数据计算植物生产力时间稳定性。通过元素计量学分析和统计建模，团队揭示了土地利用强度如何通过碳磷比（C:P）失衡瓦解生物多样性与稳定的正向关联，相关成果发表于《Soil Security》。

研究方法的核心包括：（1）站点设计与采样：采用网格法选取中国亚热带44个代表性站点，涵盖森林、果园和农田三类土地利用类型，采集528份土壤样本以控制区域环境变异性。（2）生物多样性量化：通过高通量测序（细菌16S rRNA基因和真菌ITS区域）和形态学鉴定（线虫）计算α-、β-和γ-多样性指数，涵盖细菌、真菌及线虫功能群（如食微菌和捕食性线虫）。（3）生态系统稳定性评估：利用卫星遥感数据提取2000-2020年生长季NDVI，以均值/标准差定义时间稳定性。（4）环境驱动分析：测定土壤有机碳（SOC）、氮磷含量计算C:P等计量比，结合pH和持水性等非营养属性，通过结构方程模型解析其对多样性-稳定性关系的调控路径。

Effects of land-use intensification on ecosystem stability and soil physico-chemical properties

土地利用显著降低植物生产力时间稳定性：森林的稳定性值显著高于果园和农田，而线性回归显示土地利用强度指数（LUI）与稳定性呈负相关。同时，农业转化导致土壤碳含量下降和磷富集，使C:P比降低，并改变pH和持水性，这些变化在区域尺度上趋于均质化。

Land-use intensification decreased soil multitrophic diversity across spatial scales

农业活动（如耕作和施肥）一致减少多营养级土壤生物的α-、β-和γ-多样性，其中高营养级生物（如捕食性线虫）的敏感性高于低营养级（如细菌）。机制分析表明，植物碳输入减少和养分富集通过降低SOC和改变C:P比直接驱动多样性丧失，而非营养属性（如pH）对高营养级生物的影响更显著。

Conclusions

研究证实，土地利用集约化通过元素计量失衡（尤其是C:P比变化）解耦土壤生物多样性与生态系统稳定性的正相关关系，这一效应在局地和区域尺度均存在。高营养级生物对C:P比敏感性的差异是关键原因，突显优化肥料管理（如缓释肥）对维持土壤健康的重要性。

CRediT authorship contribution statement

作者贡献声明显示，戚晓旭（Xiaoxu Qi）主导数据分析和论文撰写，胡正坤（Zhengkun Hu）等参与研究设计，陈小云（Xiaoyun Chen）和刘满强（Manqiang Liu）负责基金支持与概念框架。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgements

研究获国家重点研发计划（2022YFD1500203）、国家自然科学基金（42477322, 32301434）及江苏省农业生物多样性中心（ZX(24)2015）资助，胡正坤获江苏省优秀博士后人才计划（2022ZB326）支持。

这项研究不仅首次在区域尺度上实证了元素计量学对土壤“生物-稳定”关系的核心作用，还为全球土地管理提供了可操作路径：减少速效磷肥输入以维持C:P平衡，可缓解农业对土壤生物网络的破坏。未来需