《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Phosphorus limitation drives aggregate-scale variations in microbial carbon use efficiency during grassland restoration: A stoichiometric regulation
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微生物碳利用效率（CUE）在黄土高原退化草地恢复中受土壤团聚体结构调控，大团聚体（LMA）CUE持续下降24%，中团聚体（SMA）呈U型响应，小团聚体（MI）保持稳定。酶 stoichiometry 向量分析显示恢复进程中碳限制转向磷限制，结构方程模型揭示微生物生物量C:N比是LMA CUE的主要驱动因素，而溶解有机碳与有效氮比值负向调控SMA和MI的CUE。研究证实土壤团聚体微生境差异显著影响微生物代谢策略，为精准提升草地碳汇能力提供理论依据。
作者：臧振峰、李英雪、唐福浩、邓书娟、杨凯、李敬辉、吕阳、赵伟
西北农林科技大学草原农业学院，中国陕西省杨陵市712100
摘要
微生物碳利用效率（CUE）调节着草地恢复过程中同化碳在微生物生物量生产和呼吸作用之间的分配；然而，其整体规模的驱动因素仍不明确。我们研究了在中国黄土高原上为期45年的恢复序列中，磷限制如何影响不同团聚体分级中的微生物CUE。土壤样本被分为大团聚体（LMA，>2毫米）、小团聚体（SMA，0.25–2毫米）和微团聚体（MI，<0.25毫米）。酶计量学向量分析表明，随着恢复的进行，所有团聚体分级中的限制因素从碳限制转向了磷限制。尽管存在这些趋同的代谢限制，CUE仍表现出团聚体特异性动态：LMA的CUE持续下降（减少了24%），SMA呈现U形响应（最初显著下降了36%，随后显著恢复），而MI在整个恢复序列中保持相对稳定的CUE。结构方程模型显示，大团聚体中的微生物生物量C:N比是CUE的主要正向驱动因素，而溶解有机碳：有效氮比则对小团聚体和微团聚体中的CUE产生了负面影响。我们的结果表明，土壤团聚体结构在生态系统恢复过程中从根本上调节了化学计量不平衡和微生物代谢。LMA中磷限制与CUE之间的负相关性与SMA中的适应性响应形成对比，这强调了在预测土壤碳动态时考虑微生境特定限制的必要性，这对优化恢复实践以增强土壤碳封存具有重要意义。
引言
草地恢复能够增加土壤有机碳（SOC）的储存，从而有助于缓解气候变化（Deng等人，2014年；Yang等人，2019年；Gvein等人，2023年）。土壤微生物将植物来源的底物转化为与矿物质相关的有机物，从而稳定SOC（Wieder等人，2013年；Kallenbach等人，2016年）。微生物碳利用效率（CUE）——即用于生物量合成的代谢碳比例与作为CO2释放的代谢碳比例——已成为影响土壤碳储存和周转率的关键参数（Sinsabaugh等人，2013年；Geyer等人，2016年；He等人，2023年）。生态化学计量学理论的最新进展表明，CUE受到碳和营养物质（特别是氮和磷）相对可用性的调节，以满足微生物的代谢需求（Sinsabaugh等人，2016年；Cui等人，2024年）。理解这些营养物质限制（尤其是磷）与微生物CUE之间的相互作用对于改进旨在优化草地土壤碳封存的恢复管理实践至关重要。
土壤团聚体形成了具有不同物理保护、资源供应和微生物群落的微生境。大团聚体（>0.25毫米）主要通过根系-微生物相互作用形成，而微团聚体（<0.25毫米）则提供矿物质包覆和封闭作用（Elliott，1986年；Trivedi等人，2015年；Zhang等人，2023年）。这些团聚体的形成和稳定通过涉及微生物活动、有机物质输入和矿物质相互作用的复杂生物物理过程实现（Six等人，2004年；Hartmann和Six，2022年）。在团聚体层次结构中，大团聚体（>0.25毫米）主要通过生物过程形成，并含有更多的易分解碳，而微团聚体（<0.25毫米）通常通过矿物质包覆和封闭的孔隙网络提供更大的物理保护（Zang等人，2025年）。这种结构异质性可能产生具有不同扩散限制、氧气可用性和捕食压力的微环境，从而显著影响微生物群落的组成和代谢策略（Liao等人，2022年；Sun和Han，2025年）。尽管这种空间异质性的重要性已被认可，但大多数关于微生物CUE的先前研究都集中在整体土壤上（Sinsabaugh等人，2016年；Sun等人，2022年；Shi等人，2024年；D?m?t?rc?等人，2025年），可能忽略了土壤结构与微生物代谢之间的复杂相互作用。我们认为这种物理-化学耦合对碳稳定具有重要意义，尽管其机制仍不甚清楚（Bhattacharyya等人，2021年；Zhang等人，2023年；Rosinger等人，2025年）。
在草地恢复过程中，植被组成和土壤发育的变化会显著改变必需资源（SOC、氮和磷）的可用性和化学计量比，从而可能对微生物代谢产生化学计量限制（Deng等人，2019年；Zhong等人，2020年；Tong等人，2025年）。特别是磷限制，越来越多地被认为是微生物生长和碳循环的关键限制因素，尤其是在经历植被演替或恢复的生态系统中（Feng等人，2023年；Li等人，2025年）。在成熟或晚期演替系统中，通过植物吸收、封闭作用和降水导致的磷逐渐耗竭可能会加剧微生物的磷限制（Walker和Syers，1976年；Frossard等人，2000年；Chen等人，2024年）。这种限制可能触发显著的代谢适应，包括磷酸酶产量的增加、膜组成的改变以及碳分配策略的转变（Kaiser等人，2014年；Sinsabaugh等人，2016年）。然而，长期植被恢复过程中磷限制对微生物CUE的影响仍不够清楚，尤其是在土壤团聚体尺度上，扩散限制可能会造成营养物质的可用性变化（Schimel等人，2022年）。
资源在团聚体大小类别之间的异质分布可能导致生态系统恢复过程中化学计量调节和代谢响应的团聚体特异性动态（Bhattacharyya等人，2021年；Zhang等人，2023年）。当前的碳循环模型通常假设生态系统恢复过程中微生物反应是均匀的，尽管有越来越多的证据表明生物地球化学过程存在微尺度异质性（Wieder等人，2013年；Zhou等人，2025年）。这种差异可能会在预测恢复生态系统的碳封存潜力时引入很大的不确定性。虽然一些研究记录了沿恢复梯度的微生物资源限制的变化（Cui等人，2019年；Zhong等人，2023年），但土壤基质内不同空间尺度上磷限制与CUE之间的动态耦合尚未得到系统研究。Wang等人（2024年）最近证明，磷限制可以在植被演替过程中抑制土壤微生物的碳代谢，但他们的分析没有区分不同的团聚体大小分级，可能掩盖了重要的微尺度调节机制。Silva等人（2024年）发现在半干旱土壤中经过二十年的恢复后酶计量学发生了显著变化，但并未探讨这些变化如何转化为土壤结构层次中的碳分配效率。
为了解决这些知识空白，我们在中国黄土高原上进行了为期45年的草地恢复序列研究，全面调查了不同土壤团聚体分级中的微生物资源限制和CUE。我们结合了三种互补的方法：（1）土壤团聚体的物理分级以分离不同的微生境；（2）酶计量学向量分析以表征微生物资源限制；（3）CUE的化学计量学建模以量化资源限制下的碳分配效率。这种多方法研究为了解恢复过程中微生物代谢的微尺度控制提供了前所未有的见解。具体而言，我们的目标是：（1）描述45年草地恢复序列中不同团聚体大小分级中微生物资源限制的变化；（2）量化微生物CUE对恢复过程中不同微生境中资源可用性变化的响应；（3）阐明草地恢复过程中团聚体尺度上调节微生物碳分配效率的化学计量机制。揭示草地恢复过程中团聚体尺度上微生物CUE的调节机制不仅有助于深入理解土壤碳动态的机制，还有助于识别关键的碳封存区域，从而为优化生态系统碳储存能力的恢复实践提供信息。
研究区域和实验设计
研究区域和实验设计
本研究在中国陕西省安塞县的志方沟流域（36°74′–36°80′ N，109°23′–109°25′ E；海拔1112–1241米）进行（表S1）。该地区具有半干旱暖温带大陆性季风气候，年平均温度为8.8°C，年平均降水量为510毫米，其中60–75%的降雨发生在7月至9月。根据FAO世界土壤资源参考数据库，该地区的土壤被归类为钙质土壤。
土壤团聚体分布和物理化学性质
土壤团聚体大小分布和MWD显著受到植被恢复持续时间的影响（P < 0.05，表1）。大团聚体（LMA）的比例随着植被恢复持续时间的增加而显著增加，从GL0到GL45增加了585%（P < 0.001）。小团聚体（SMA）显示出非线性模式，最初增加并在GL18达到最大值，然后在GL45显著减少（P < 0.05）。微团聚体（MI）也表现出...
恢复过程中微生物资源限制的变化
通过整合物理分级、酶计量学和碳分配建模，我们建立了土壤结构异质性与微生物代谢适应之间的新机制联系。这一综合框架为微尺度环境中的微生物代谢提供了更深入的见解。具体而言，我们的发现揭示了草地恢复过程中所有团聚体分级中微生物资源限制的趋同变化，其特征是...
结论
我们的研究表明，植被恢复导致所有土壤团聚体分级中的微生物资源限制从碳限制转变为磷限制，磷酸酶活性显著增加，C:P-酶比率显著下降。尽管限制模式趋同，微生物CUE仍表现出显著的团聚体特异性响应，突显了土壤结构在调节微生物...
作者贡献声明
吕阳：研究、正式分析。
赵伟：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
臧振峰：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念构思。
李英雪：方法学、研究、正式分析、数据管理。
杨凯：方法学、研究、数据管理。
李敬辉：研究、正式分析。
唐福浩：研究、正式分析、数据。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号41877037）的资助。
