微生物碳利用效率（CUE）是衡量土壤有机碳（SOC）积累和损失的重要指标，也是生物地球化学循环模型中的关键参数，对于理解SOC对气候变化的响应具有重要的指示意义。热适应性理论认为，土壤单位微生物量呼吸在较高的温度下通常较低，据此推断，CUE可能随着空间上温度升高或者长期增温而增加。然而，目前学术界尚不清楚在较大的空间尺度上CUE的温度响应特征及其对土壤有机碳变化的影响。针对这一关键问题，中国科学院地理科学与资源研究所余开亮、汪金松等联合中国农业科学院、兰州大学、西北农林科技大学以及美国、欧洲等国家的全球变化领域科研人员开展了全球微生物CUE的温度响应研究。

通过整合全球表层土壤CUE数据，并结合两个全球微生物呼吸数据集，研究人员发现，微生物CUE和呼吸速率对温度的响应存在阈值，当年均气温（MAT）超过约15°C时，微生物CUE显著增加。进一步地，将CUE对温度的这种非线性响应代入生物地球化学循环模型，并比较了一阶SOC分解模型和融入微生物生理特征、群落结构信息的微生物分解模型对SOC响应气候变暖的差异。研究发现，当MAT超过15°C，微生物分解模型预测得出：微生物的生长速率加快，导致微生物生物量增加，并伴随更高的总异养呼吸，进而加速土壤有机碳的分解，而一阶分解模型则得出相反结论。上述结果提高了现有土壤碳动态模型的认知，传统模型通常假设温度、微生物碳利用效率、SOC之间的关系是线性的。而这项研究表明，如果不考虑CUE对温度的非线性响应，气候变化对未来土壤碳的预测可能会大大低估。因此，未来生物地球化学循环模型需考虑微生物CUE对温度的非线性响应，以提高土壤碳-气候变化反馈关系的预测精度。

相关研究成果近期在线发表于Nature Communications。中国科学院地理科学与资源研究所余开亮研究员为第一作者，通讯作者为余开亮研究员和汪金松副研究员，牛书丽研究员参与论文指导，其他合作者包括中国农业科学院何磊博士、西班牙马德里高等科学研究委员会Pablo Garcia-palacios教授、西班牙阿利坎特大学Marina Dacal博士、瑞士苏黎世大学Colin Averill博士和Thomas W. Crowther教授、美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Katerina Georgiou博士、兰州大学叶建圣教授、西北农林科技大学莫非教授。

本研究获得国家自然科学基金冻土专项项目和基础科学中心项目等资助。

论文信息：Kailiang Yu*,Lei He,Shuli Niu,Jinsong Wang*,Pablo Garcia-palacios,Marina Dacal,Colin Averill,Katerina Georgiou,Jian-sheng Ye,Fei Mo,Lu Yang,Thomas W. Crowther. 2025. Nonlinear microbial thermal response and its implications for abrupt soil organic carbon responses to warming. Nature Communications,16,2763.

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57900-9

图1. 微生物CUE的影响因素及其随温度变化的阈值响应

图2. 微生物CUE的非线性温度响应对一阶模型和微生物模型中分解常数和SOC的影响