中国农业大学土地学院王超群教授团队在Nature Geoscience发表土壤微生物碳-能耦合研究重要成果

7月6日，国际顶级期刊《自然·地球科学》（Nature Geoscience）在线发表我校土地学院王超群教授团队在土壤碳循环与全球变化领域的最新研究成果《微生物能量受限制约土壤碳积累》（Limited energy for microorganisms constrains carbon accrual in soil）。该研究立足微生物碳-能耦合流动，系统揭示了能量限制是制约全球土壤微生物生长和代谢活性、微生物残体形成及土壤有机碳（SOC）积累的关键机制，为深入理解土壤碳汇形成过程及其气候反馈效应提供了新的理论依据。

土壤固碳是缓解全球气候变化的关键过程，微生物在该过程中发挥核心作用。传统观点多聚焦于碳可利用性对微生物生理状态的主导作用，却忽视了微生物氧化有机碳来获取能量以维持生命代谢的底层逻辑，碳-能耦合驱动土壤碳循环的深层机制有待深入探究。

针对这一科学问题，王超群教授基于微生物能量代谢速率与生物量之间的尺度推绎关系，构建了耦合微生物能量利用、生长与维持代谢的定量分析框架。在此基础上，整合微生物过程模型、全球尺度数据集与深度学习方法，系统估算了全球表层土壤（0–30cm）微生物的碳-能量获取与分配格局，以及不同生理状态微生物的占比，并预测了未来气候变暖的潜在影响。

表土中微生物可利用碳（a）、合成碳（b）与呼吸碳（c）通量的全球分布图

表土中微生物通过氧化可利用有机碳而获得（a）、保留（b）和损失（c）的能量通量全球分布图

表土中微生物生物量处于生长（a）或维持（b）状态的最大比例；不同土地利用方式（c）或气候区（d）处于生长状态和维持状态的微生物比例之间的关系

研究表明，全球表层土壤微生物通过氧化可利用有机碳所获得的能量平均为37±22MJ m⁻² yr⁻¹。这些能量最多可支持约8%的微生物持续处于生长状态，或约61%的微生物维持基础代谢，这意味着至少40%的土壤微生物长期处于休眠状态。这一结果揭示了能量限制是制约土壤微生物生长和代谢的关键机制。

表土中微生物碳利用效率（a）、能量利用效率（b）和能量利用效率与碳利用效率比值（c）的全球分布图

为进一步解析微生物代谢中碳-能耦合的内在规律，研究系统评估了碳与能量利用效率。微生物平均能量利用效率（0.22±0.02）比碳利用效率（0.27 ±0.04）低17%。这一差异揭示了能量限制微生物活动，进而限制残体（SOC形成的主要前体）产生的一个普遍规律。

该研究对预测全球变化背景下土壤碳动态具有重要科学意义。气候变暖将显著提升微生物的能量需求，进而加剧土壤碳损失风险。研究强调，通过优化土壤环境以提升微生物能量利用效率，并强化高能效代谢途径，是未来提升土壤碳汇功能、应对全球变暖的关键策略之一。

中国农业大学土地科学与技术学院王超群教授为论文第一作者和通讯作者。论文合作作者包括中国农业大学土地科学与技术学院博士后薛琳、美国科学院院士Peter B. Reich教授、西班牙高等科研理事会Josep Peñuelas教授、美国宾夕法尼亚州立大学陶凤教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授等。该研究得到中国农业大学“杰出人才”引进计划等项目资助。