土壤微生物群落对土地利用变化的响应：一项全球性元分析

《Journal of Environmental Management》：Response of soil microbial quotient to land use change: A global meta-analysis

　　

陈玲|陈红|何文新|曾嘉

四川农业大学农学院，成都，611100，中国

摘要

土壤微生物商数（SMQ，即微生物生物量碳（MBC）与土壤有机碳（SOC）的比值）是表征土壤有机质质量和土壤健康状况的核心指标。然而，其对土地利用变化（恢复和退化）的响应模式及其调控机制在全球范围内仍缺乏系统的量化研究。基于全球134篇经过同行评审的文章，本研究采用meta分析方法系统评估了土地利用变化对SOC、MBC和SMQ的影响。结果显示，土地利用退化导致SOC（减少13.4%）、MBC（减少20.9%）和SMQ（减少12.0%）；而土地利用恢复则增加了SOC（增加73.0%）和MBC（增加83.5%），但并未显著提升SMQ。MBC对土地利用变化的响应比SOC更为敏感和明显，这两个变量之间存在正相关关系，这证实了MBC作为追踪土壤碳动态的敏感指标的有效性。此外，在恢复过程中，SOC和MBC的增加幅度随着恢复时间的延长而增大，且初始SOC越高，增加幅度越小。SMQ的增加幅度还受到初始SOC和C/N比（CNR）的影响：初始C/N比越高，SMQ的增加幅度越大。在退化过程中，SOC和MBC的损失随着退化时间的延长和初始SOC的升高而加剧；而SMQ的下降幅度则因退化时间的延长和初始CNR的升高而减弱。驱动因素分析表明，在恢复过程中，持续时间、初始SOC和土壤深度是影响SOC和MBC变化的主要因素；在退化过程中，持续时间、初始SOC和CNR是关键驱动因素。总体而言，本研究阐明了SMQ对土地利用变化的非对称响应趋势，为制定生态恢复策略提供了理论支持。

引言

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库（Tao等，2023），其碳循环动态对全球碳循环和气候变化具有深远影响（Feng等，2023；Zhou等，2025）。在这个碳储存库中，土壤微生物充当着驱动有机质分解、转化和稳定的关键“引擎”（Coban等，2022；Sokol等，2022；Wang等，2025a）。尽管微生物生物量碳（MBC）仅占土壤有机碳（SOC）的1-5%（Camenzind等，2023；Fu等，2025），但它是最活跃、循环最快的组分，并对环境和管理干扰高度敏感（Patoine等，2022；Wasner等，2024；Xiang等，2025）。因此，MBC与SOC的比值（土壤微生物商数（SMQ）被广泛认为是评估土壤有机质质量、表征微生物代谢效率以及预警土壤健康状况的关键指标（Gao等，2024；Zhu等，2025）。该比值反映了微生物对SOC的吸收与维持呼吸作用需求之间的平衡，表明了SOC的稳定性和矿化潜力（Bardgett等，2008；Cao等，2021）。较高的SMQ通常意味着较强的SOC活性、活跃的微生物群落和较快的碳周转率；相反，较低的SMQ可能表明土壤有机质已经稳定或微生物活动受到抑制（Cao等，2021；Ghosh等，2020）。

在人类主导的“人类世”时期，土地利用变化已成为塑造陆地生态系统碳循环和微生物过程的最重要因素之一（Nogué等，2025；Weeks等，2025）。这些变化主要包括两种对立的路径：生态系统退化，即自然栖息地转化为集约化人工用地；以及通过人工措施或自然恢复来逆转退化景观的生态恢复（Coban等，2022；Zhao等，2025）。现有证据表明，土地利用退化通常会导致SMQ显著下降（Cai等，2025；Yan等，2022）。如农业开垦等退化活动会破坏植被覆盖，减少有机质供应，并通过耕作等物理干预措施损害微生物栖息地（Yin等，2025；Zhang等，2025a）。一项关于全球草地转化的meta分析显示，自然草地的垦复使MBC减少了47.80%，远大于SOC仅减少的16.47%（Cai等，2025）。这种不成比例的减少直接导致SMQ急剧下降。长期农业耕作持续抑制SMQ的升高，甚至近19年的弃耕也无法使SMQ恢复到原始草原的水平（Yan等，2022），凸显了退化的持久影响和有限的恢复潜力（Coban等，2022）。相反，恢复过程通过重建植被和增加凋落物及根系输入为微生物群落的恢复创造了条件（Men等，2025；Wang等，2026），从而提高了SMQ（Huang等，2015）。例如，在将耕地转化为灌木林后，土壤环境和微生物群落都显示出恢复的趋势（Xiao等，2025）。然而，需要注意的是，MBC和SOC的恢复速度可能不同步（Li等，2025a；Wang等，2025b），这意味着并非所有的恢复措施都能导致SMQ的增加。研究还发现，恢复效应是复杂且长期的（Li等，2025a；Wang等，2025b）。Huang等（2024）指出，将耕地重新转化为森林和草地后，几十年内分别仅能恢复失去的有机碳的49.5%和75.3%。

值得注意的是，SMQ对土地利用变化的响应具有高度异质性，其大小和方向受到多种环境因素的共同调节（Cai等，2025）。首先，气候背景是一个重要因素，年平均气温和降水量通过影响初级生产力、SOC和微生物活性间接调节响应强度（Cai等，2025；Zhao等，2025）。研究表明，在干旱地区，土地利用变化对SOC的影响可能更为显著（Emde等，2025）。其次，土壤本身的特性是关键的内部调控因素，如总氮含量、C/N比（CNR）、pH值和容重等影响SOC和MBC的变化（Cai等，2025；Wan等，2021）。例如，初始CNR高于10会加剧草地转化后的SOC和MBC损失（Cai等，2025）。第三，SOC含量本身是影响MBC和SMQ的最重要因素（Wan等，2021；Sun等，2020）。此外，自土地利用变化以来的时间长度也至关重要（Ohlert等，2025；Ye等，2025）。随着时间的推移，土壤恢复通常会增加SOC含量，但仍难以完全弥补自然生态系统的碳损失（Ascenzi等，2025）。此外，土壤深度对SMQ对农业干扰的响应具有关键影响（Ding等，2025）。表土由于有足够的有机质输入和强烈的微生物代谢而保持较高的SMQ，而底土则因基质、氧气和水分的不足而表现出显著的SMQ下降（Zhu等，2025）。

尽管许多研究关注了土地利用变化对SOC的影响（Ascenzi等，2025；Emde等，2025；Huang等，2024；Zhao等，2025），但MBC和SMQ的响应却受到的关注较少。此外，SOC和MBC的异步响应直接增加了SMQ动态的不确定性。仍有几个关键科学问题尚未得到解答：在全球范围内，土地利用变化如何影响SMQ？这些效应在不同土壤深度和恢复时间下有何差异？影响SMQ对土地利用变化响应的关键因素是什么？为了解决这些研究空白，本研究选取了134篇经过同行评审的文章，并采用meta分析方法评估了土地利用变化对SOC、MBC和SMQ的影响。研究结果有望为科学评估土地管理措施的生态效应和优化生态恢复策略提供理论支持。

节片

数据收集

本meta分析采用以下步骤进行数据收集和筛选：在多个电子数据库中进行了系统性文献搜索，包括Web of Science（https://www.webofknowledge.com/）和中国国家知识基础设施（CNKI，https://www.cnki.net/），以识别研究土地利用变化对SMQ影响的研究。具体的搜索词和PRISMA文献搜索过程详见文本S1和图1a。

土地利用变化对SOC、MBC和SMQ的总体影响

基于全球meta分析，土地利用变化显著影响了土壤碳库和SMQ（图2abc）。总体而言，土地利用退化过程导致SOC（减少13.4%，p < 0.05）、MBC（减少20.9%，p < 0.001）和SMQ（减少12.0%，p < 0.05）（图2abc）。相反，土地利用恢复过程增加了SOC和MBC的含量，但SMQ的增加幅度有限，未达到统计学显著性（增加6.9%，p > 0.05）。混合效应meta回归分析进一步揭示了这种响应关系

土地利用变化对土壤碳库和SMQ的差异性影响

一个核心且关键的研究发现是，MBC对土地利用变化的响应在幅度上先于SOC，并且更为强烈（图2ab）。这一现象已被多项独立研究证实（Dor等，2025；Gao等，2024；Wan等，2022；Xiao等，2025）。MBC是土壤中最活跃且变化最快的组分（Camenzind等，2023；Fu等，2025），对土地利用变化高度敏感（Wasner等，2024；Xiang等，2025），可以作为早期

结论

本研究通过全球meta分析，揭示了土地利用变化（恢复和退化）对SOC、MBC和SMQ影响的模式和调控机制。结果表明，土地利用退化导致SOC（减少13.4%）、MBC（减少20.9%）和SMQ（减少12.0%）；而恢复则可以增加SOC（增加73.0%）和MBC（增加83.5%），但SMQ的增加幅度不显著（增加6.9%）。值得注意的是，MBC对退化和恢复干扰的敏感性均高于SOC。

CRediT作者贡献声明

陈玲：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据整理。陈红：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法学、调查、数据整理。何文新：撰写——审稿与编辑、验证、调查、数据整理。曾嘉：撰写——审稿与编辑、可视化、资源管理、方法学、调查、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。