中国农业生态系统微生物碳利用效率的酶化学计量特征及其调控机制

本研究针对中国农业生态系统中微生物碳利用效率(CUEST)的分布规律不明问题，通过整合209组样本数据，揭示农田CUEST(0.51)显著高于草地(0.46)和森林(0.44)，发现养分化学计量是主要驱动因子，土地管理措施通过改变养分有效性显著调控CUEST，为农业碳汇提升提供理论依据。

　　

土壤作为地球上最大的陆地碳库，其微小的微生物却掌握着碳循环的关键钥匙。在气候变化加剧的背景下，农业生态系统如何通过微生物活动实现碳固定成为科学界关注的焦点。微生物碳利用效率(Carbon Use Efficiency, CUE)这个看似晦涩的指标，实际上决定着微生物是将碳转化为自身生物量储存起来，还是通过呼吸作用释放回大气。然而，中国作为农业大国，其不同农业生态系统中CUE的空间格局和调控机制始终是个未解之谜。

针对这一科学问题，国内研究人员开展了一项覆盖全国范围的meta分析研究。通过对55项研究中209组配对样本的系统整合，首次基于酶化学计量法(CUE_ST)评估了中国农业生态系统中微生物CUE的分布特征。研究发现，农田生态系统展现出惊人的高效性，其平均CUE_ST值达0.51，显著高于草地(0.46)和森林(0.44)。这种差异背后隐藏着有趣的调控规律：在农田中，CUE_ST与氮磷限制呈显著正相关，而在草地和森林中则与碳限制呈负相关。

研究采用了酶化学计量模型计算CUE_ST，整合了β-葡萄糖苷酶(碳循环)、亮氨酸氨基肽酶(氮循环)和酸性磷酸酶(磷循环)的活性数据。通过结构方程模型解析了气候因子、土壤性质和酶活性对CUE_ST的相对贡献，并评估了不同土地管理措施的影响效应。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

1. 土地利用类型显著影响CUE_ST，农田的高效性可能源于集约化管理带来的养分供给；
2. 养分化学计量是CUE_ST的首要驱动因子，解释了34.7%的变异，酶活性和年均降水量分别贡献12.1%和9.8%；
3. 管理措施产生差异化影响，其中草地补水使CUE_ST提升23%，而过度放牧导致下降15%；
4. 施肥实践改变CUE_ST响应模式，有机无机配施农田的CUE_ST比单施化肥高0.07个单位。

这项发表于《Pedosphere》的研究具有多重科学意义：首次建立了中国农业生态系统CUE_ST的基准数据集，揭示了养分限制与土地利用类型的交互效应，为精准调控土壤碳汇提供了理论依据。特别值得注意的是，研究发现适度人为干预(如合理施肥、水分调控)可以提升微生物碳固定效率，这为发展气候智慧型农业提供了重要启示。未来研究可基于这些发现，开发针对不同生态区的微生物碳汇增强技术，助力中国"双碳"目标的实现。