亚热带森林土壤微生物磷限制对碳利用效率的调控机制及其生态意义

这篇研究揭示了亚热带森林土壤微生物碳利用效率(CUE)受磷(P)限制的关键调控机制。通过对比农田与森林土壤发现，虽然两者CUE相似，但森林系统因长期P限制导致CUE对P添加响应显著，而农田CUE则更易受气候变暖影响。研究创新性提出(Ca+Mg)exe:(Fe+Al)o等地球化学指标是预测CUE的关键参数，为全球变化背景下土壤碳汇管理提供了理论依据。

　　

Highlight

微生物生长与呼吸的紧密耦合维持跨土地利用类型的碳利用效率(CUE)稳态

研究发现尽管森林土壤具有更高的微生物生长和呼吸速率，但生长与呼吸的比例关系(CUE=生长/(生长+呼吸))在农田与森林间保持惊人的一致性(图2g)。这种线性缩放关系(图3a-c)表明，土地利用变化主要改变微生物活性水平而非代谢效率。森林系统更高的基础活性可能源于：1)更丰富的有机碳(SOC)和总氮(TN)库；2)增强的胞外酶投资策略；3)对低质量基质的适应性进化。

土地管理强化微生物CUE对气候变化的敏感性

在温暖湿润条件下，农田土壤表现出比森林更高的CUE值(图4d-f)。这种差异源于：1)农田施肥缓解了养分限制；2)耕作改善的物理结构促进碳可利用性；3)微生物群落向快速生长型转变。值得注意的是，气候敏感性指数显示农田CUE对温度变化的响应强度是森林的2.3倍(表S6)。

磷限制是森林微生物代谢效率的关键约束因子

森林土壤表现出显著的磷缺乏特征：1)更高的C:P和N:P化学计量比(图S2)；2)更强的磷获取酶活性(EEA_N:P)；3)更高的磷胁迫指数(SI_N:P)(图S3)。添加磷肥使森林CUE提升18.7±3.2%，而农田无显著变化(图5)，证实慢性磷限制是调控森林微生物代谢的核心开关。这种差异与土壤地球化学性质密切相关——森林较高的(Fe+Al)_o氧化物含量通过磷吸附加剧生物有效性磷的缺乏。

Conclusion

本研究揭示土壤微生物呼吸与生长在不同土地利用系统存在超出预期的紧密耦合关系。跨气候梯度分析表明，交换性钙(Ca_exe)和(Ca+Mg)_exe:(Fe+Al)_o比值等地球化学参数可解释72%的CUE变异。特别值得注意的是，农田CUE在湿润条件下更高且对气候变化更敏感，而森林CUE则受磷限制强烈约束。这些发现为预测全球变化背景下土壤碳循环反馈提供了新的机制性认识。