《European Journal of Agronomy》：Decoupling of carbon pump and diversity in microbes under global agricultural management
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本研究通过全球元分析，评估了农业管理对微生物碳利用效率（CUE）和坏死体碳（MNC）的影响，发现氮肥、有机农业、秸秆还田和灌溉可显著提高CUE和MNC，而耕作则抑制其作用。温度、土壤C/N比和pH是关键影响因素，微生物呼吸和酶活性主导CUE变化，而生物量和群落结构影响MNC。优化管理可增强碳汇能力。
杨长坤|刘冰|阿拉什·马莱基安|孙伟浩|王斌|王晓|李文|普扬·德赫甘·拉希马巴迪|马利赫·贝赫朗·马内什
中国与伊朗干旱地区农业与生态联合实验室，中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州市730000
摘要
微生物的碳代谢在很大程度上决定了植物来源的碳是保留在土壤中还是以二氧化碳的形式流失。在农田中，通过整合养分供应、耕作、种植和灌溉等管理措施，可以支持农业生产并显著改变微生物产生的碳的命运。然而，目前尚不清楚这种综合管理措施在全球范围内是如何影响微生物碳合成过程的。本研究通过全球元分析量化了管理措施对微生物碳利用效率（CUE）和微生物死亡物质碳（MNC）变化的影响，然后运用随机森林模型、方差分解和路径分析方法来确定关键的影响因素和作用机制。结果表明，综合管理措施使CUE和MNC分别提高了3.85%和9.74%。氮肥管理同时提升了CUE和MNC（分别提高了11.87%和15.97%），而有机农业则显著提高了CUE（提高了29.71%）；秸秆还田和灌溉也分别增加了MNC（分别增加了21.13%和14.90%）。相比之下，耕作活动抑制了微生物的合成作用。温度对CUE的影响最为显著，而管理措施的实施持续时间主要影响MNC，其影响在五年后减弱了1.37%。土壤碳氮比（C/N）和pH值等栖息地条件也是重要的限制因素。中介效应分析表明，CUE主要受微生物呼吸作用和酶活性（23.37%的方差）的调节，而微生物生物量和群落结构则主导了MNC的变化（27.57%）。进一步分析发现，在管理措施的作用下，微生物碳的合成与多样性之间存在脱钩现象。综上所述，通过整合养分和有机投入并减少干扰，同时考虑土壤温度、碳氮比和pH值等因素，可以优化微生物代谢过程，从而增强碳封存能力和农业生态系统的生产力，促进可持续发展。
引言
微生物控制着土壤中碳的持久性，因为它们决定了分解过程中释放的碳有多少会被用于微生物生长，而不是以二氧化碳的形式流失（B?lscher等人，2024年；Wang等人，2025年）。这种分配至关重要，因为微生物的“内部周转”将底物转化为生物量和代谢产物，而这些微生物死亡物质和代谢残余物在许多生态系统中会显著贡献于长期存在的土壤有机碳（SOC）库（Tao等人，2023年）。微生物碳利用效率（CUE）反映了分解过程中用于生长和生物合成的碳的比例，而微生物死亡物质碳（MNC）则代表了微生物周转和稳定后形成的更为持久的碳部分（Hu等人，2024年；Zhu等人，2020年）。从某种意义上说，CUE和MNC描述了同一过程的不同阶段：它们共同反映了微生物繁殖和代谢如何维持微生物碳循环，并将微生物产生的碳输送到SOC库中（Wang等人，2025年；Zhang等人，2022b年）。微生物CUE和MNC的形成过程对SOC的稳定和循环至关重要。高CUE意味着更多的碳被固定为微生物生物量，减少了矿化作用，增强了土壤的碳储存能力（Su和Shangguan，2023年）。
农业管理可以通过改变栖息地条件和影响微生物代谢的约束因素来重新引导这些微生物过程（Ren等人，2019年；Li等人，2020a年）。施肥、耕作、覆盖、灌溉和种植策略改变了养分供应、有机质的聚集和保护、水分状况以及底物的输入方式（Ling等人，2025年；Kan等人，2022年；F Fernández-Soler等人，2024年）。然而，微生物碳循环功能对外部环境因素（如土壤湿度、温度和养分可用性）的变化非常敏感。这些变化会影响微生物活动，使碳循环功能具有高度变异性。这些变化主要影响碳源的获取、转化途径、代谢效率以及MNC的形成和稳定，从而改变土壤的碳储存能力和长期碳汇效应（Qi等人，2023年；Xu等人，2024年；Ma等人，2018年）。因此，农业管理可能改变土壤环境和碳通量平衡，直接影响微生物碳的封存，成为微生物碳变化的根本驱动因素（Chen等人，2021年；Zhu等人，2025年）。鉴于需要加强农田中的碳汇，了解农业管理如何调节微生物碳循环机制对于优化作物生产和提高土壤碳储存能力、发挥其长期碳汇潜力至关重要。
从机制上看，管理措施通过影响微生物的生长策略和代谢特性来发挥作用。不同的管理措施可以选择性地促进或抑制微生物群落的活动。这种选择性改变了微生物产生的碳对SOC稳定性的贡献程度（Camenzind等人，2023年；Pei等人，2024年；Tian等人，2024年）。缓解养分限制或增加底物供应的措施通常会刺激微生物活动，但碳循环的结果方向和持久性取决于哪些微生物过程反应最强烈（Chu等人，2024年；Luo等人，2021年）。施肥通常会加速微生物代谢和生长，而过度干扰则会破坏有机质的聚集保护，促使碳更快地矿化（Elrys等人，2025年；Zhu等人，2024年；Chen等人，2020年）。此外，微生物通过胞外酶调节底物的获取：有机投入通常会增加酶活性并加速分解过程，但反复的耕作或过量化学投入可能会抑制特定酶的活性，降低碳转化效率（Han等人，2024年；Wang等人，2026b年）。因此，农业土壤中微生物产生的碳循环稳定性的变化主要源于不同管理措施对微生物群落和代谢特性的影响，导致细胞内和细胞外代谢途径的调节方式不同。
尽管之前的研究探讨了农业管理对全球土壤微生物群落和碳循环的影响，但很少有研究明确指出管理措施与微生物碳合成（特别是CUE和MNC）之间的具体联系（Liu等人，2025d年；Zhou等人，2023年；Chen等人，2024年）。此外，目前还缺乏关于农业干预措施如何在全球不同土壤环境中影响微生物碳合成的全面元分析（Liu等人，2024a年；Abdalla等人，2016年；Yang等人，2024年）。本研究通过全球元分析系统评估了农业管理对微生物合成及其对碳储量的影响的机制和途径。最终目标是确定综合管理如何影响土壤碳汇能力，并促进全球碳循环的长期稳定性。然而，全球农业管理对微生物合成的影响及其对稳定碳储量的贡献是复杂多方面的（Trivedi等人，2017年；Liu等人，2024b年；Liu等人，2025a年）。因此，我们提出了两个相关假设：（i）全球农业管理总体上对土壤微生物合成对稳定SOC库的贡献有积极影响，其效果与微生物生物量密切相关；（ii）农业管理通过不同的中介途径影响微生物CUE和MNC：CUE的变化反映了代谢功能（如呼吸作用和酶活性）的变化，而MNC则更依赖于微生物生物量和群落结构，土壤栖息地条件调节了这些联系的强度和方向。
数据筛选与收集
本研究使用的数据集来自2024年12月之前发表的同行评审论文，这些论文关注了农业管理通过微生物途径对土壤微生物CUE和MNC的影响。数据主要通过Web of Science、Google Scholar和中国国家知识基础设施等数据库，使用与施肥、种植模式、耕作、秸秆管理、有机农业、灌溉或农艺相关的关键词进行搜索。
管理措施对微生物碳合成和功能的影响
不同农业管理措施对微生物CUE和MNC的影响存在显著差异。氮肥施用显著提高了微生物CUE和MNC，而有机农业仅提高了CUE，秸秆还田则提高了MNC。相比之下，耕作对CUE和MNC的影响与氮肥相反（图1b）。总体而言，全球农业管理使微生物CUE提高了3.85%，FNC提高了9.45%，BNC
管理措施对微生物碳代谢的全球影响
农业管理通过改变土壤湿度、养分可用性和栖息地条件，显著影响微生物碳合成，这些因素直接塑造了微生物群落结构和代谢途径（Ma等人，2024年）。氮肥在促进微生物生长和刺激碳代谢方面起着关键作用，因为它影响了土壤的碳氮比（Zhang等人，2022a年；Wang等人，2023年）。氮肥主要消除了微生物分解的约束（Yang等人，2022年）。
结论
这项全球元分析旨在评估农业管理下微生物CUE和MNC的变化。总体而言，农业管理对微生物碳合成有积极影响。然而，在不同的管理措施和土壤栖息地条件下，其效果存在显著差异：氮肥管理、有机农业、灌溉和秸秆还田显著增强了微生物碳循环的功能。而耕作则显著抑制了这一过程。
作者贡献声明
普扬·德赫甘·拉希马巴迪：数据可视化、方法论、正式分析。李文：写作——审稿与编辑、数据管理、概念构建。孙伟浩：写作——审稿与编辑、监督、数据管理、概念构建。阿拉什·马莱基安：写作——审稿与编辑、数据可视化、方法论、概念构建。王晓：写作——审稿与编辑、数据可视化、方法论、正式分析。王斌：写作——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了甘肃省重大科技项目-国际合作项目（22ZD6WA036）、中华人民共和国人力资源和社会保障部国家级外国专家个人项目（H20240314）以及国家自然科学基金（42071048）的支持。我们感谢中国科学院西北生态环境资源研究院的所有参与研究的人员。
