文献信息
原名：Global patterns and drivers of soil microbial nitrogen and phosphorus use efficiency
译名：土壤微生物氮磷利用效率的全球格局与驱动因子
期刊：Nature Communications
IF：18.1
发表日期：2026年3月17日（在线发表）
第一作者：高德才（中国科学院地理科学与资源研究所）
背景
氮（N）和磷（P）是限制陆地生态系统生产力的两大营养元素。为了应对养分限制，植物和土壤微生物进化出了多种策略来提高N和P的利用效率（NUE, nitrogen use efficiency; PUE, phosphorus use efficiency）。微生物NUE和PUE代表了微生物将同化的N和P分配给生物合成（主要是生长）与矿化途径的比例，反映了养分同化与潜在矿化之间的代谢投资策略。尽管NUE和PUE是关键的微生物功能性状，但其全球格局此前缺乏系统的量化评估。这限制了将微生物性状整合到基于微生物过程的土壤碳和养分循环模型中。鉴于气候变化和土地利用变化等人为活动对全球养分循环的干扰日益加剧，这一知识空白显得尤为紧迫。
科学问题
（1）评估全球尺度上土壤微生物氮利用效率（NUE）和磷利用效率（PUE）的分布格局，以及不同生物群系之间的差异；
（2）量化气候、植被和土壤因子对微生物NUE和PUE的相对重要性，识别调控其全球格局的主导驱动因子。
材料与方法
（1）数据来源：从Web of Science和Google Scholar数据库提取截至2022年发表的同行评审文献，搜索关键词为“extracellular enzyme” 、 “enzymatic activity” 和“soil enzyme activity”。数据筛选后纳入213篇文献，获得2012个NUE观测值和3419个PUE观测值。
（2）估算方法：采用生态酶化学计量模型估算微生物NUE和PUE，基于微生物生物量组成与土壤有效养分之间的平衡，通过酶活性比率推断。
（3）环境变量：为评估微生物养分利用效率的驱动因子，选取了7个土壤参数和5个气候与植被参数作为自变量。土壤参数包括土壤深度、pH、土壤有机碳（SOC）、粉粒和黏粒含量、盐基饱和度（Bsat）以及阳离子交换量（CEC）。气候与植被参数包括年平均温度（MAT）、年平均降水量（MAP）、相对湿度、潜在蒸散量（PET）和归一化植被指数（NDVI）。
图1 用于估算土壤微生物养分利用效率的观测样点全球分布
结果
（1）SOC是调控NUE和PUE的最强预测因子
随机森林模型显示，SOC是影响微生物NUE和PUE的最重要因子（图2）。偏依赖分析表明，当SOC含量较低时，NUE和PUE随SOC增加而显著升高（图3；图4）；但当SOC达到中等水平后，这种正效应趋于平缓，暗示微生物代谢从能量限制向养分限制的转变。气候因子（湿度、MAT、PET）也起关键作用（图2）。
图2 气候、植被和土壤因子对微生物养分利用效率的相对重要性及模型表现
图3 偏依赖图展示了微生物氮利用效率（NUE）与环境预测因子之间的关系
图4 偏依赖图展示了微生物磷利用效率（PUE）与环境预测因子之间的关系
（2）微生物NUE呈现明显的纬度梯度，而PUE无此趋势
NUE从热带向寒带递减（约下降22%），而PUE在各大生物群系间相对稳定，不存在明显的纬度格局（表1；图5）。这与研究假设相反——高纬度地区NUE反而更低，热带地区最高。这表明微生物对N和P的利用策略受控于不同尺度的环境因子：NUE主要受宏观气候和C可用性调控，而PUE更多受局地因子（如土壤年龄、矿物组成）影响。
表1 基于随机森林模型预测的主要生物群落土壤的微生物氮利用效率（NUE）和磷利用效率（PUE）
图5 基于随机森林模型预测的土壤微生物养分利用效率全球空间格局
（3）森林生态系统NUE和PUE高于草地
森林土壤的NUE和PUE平均比草地高3.2%（热带/亚热带）至8.9%（温带）（表1）。这可能与森林凋落物C:N和C:P比值较高有关，较高的底物化学计量不平衡促使微生物增加对N和P的获取投资，从而提高NUE和PUE。
结论
（1）全球尺度上，土壤微生物氮利用效率（NUE）均值为0.60，磷利用效率（PUE）均值为0.35，NUE约为PUE的两倍。
（2）土壤有机碳（SOC）是调控微生物NUE和PUE的最强预测因子，较高的SOC与更高的养分利用效率密切相关，强调了碳有效性在调控微生物养分利用策略中的核心作用。
（3）微生物NUE呈现明显的纬度梯度，热带/亚热带地区最高，北方森林和冻原地区显著较低。这主要是由于宏观气候模式影响下微生物在能量分配策略和氮保留机制上的差异。
（4）与NUE不同，微生物PUE在各生物群系间差异较小，无一致的纬度趋势。这暗示PUE主要受局地因子（如土壤养分有效性、土壤年龄、矿物组成）调控。
（5）森林生态系统的微生物NUE和PUE高于草地，主要归因于森林土壤中较高的难降解有机质增加了微生物对养分的需求，驱动了酶介导的养分获取策略。
（6）未来研究应优先解析微生物NUE和PUE的局地与全球尺度驱动因子，并评估全球变化因子（如增温和降水格局改变）对微生物养分动态的影响。这些认识对于改进生态系统模型、指导可持续土地管理以维持长期土壤肥力和生态系统功能至关重要。