大陆尺度的土壤微生物细胞外高分子物质驱动因素

隐藏在土壤中的黏性帮手

每一把土壤都被微生物制造的一种无形胶黏剂紧密粘合。该研究提出了一个简单但深远的问题：在整个大陆范围内，这种微生物胶有多少？又受哪些因素控制？这个问题很重要，因为这些黏性物质帮助土壤保持水分、抵抗侵蚀，并把碳锁在土壤中，防止其返回大气。

是什么让土壤微生物如此“粘”?

土壤微生物——细菌和真菌——在其周围释放出一混合物，由糖类和富含蛋白质的化合物组成，称为细胞外高分子物质（EPS）。可以把EPS看作一种凝胶状的包被和支架，帮助微生物黏附在土粒上，形成保护性聚集体，并应对干旱或养分匮乏等胁迫。尽管科学家长期研究土壤中的其他微生物残留物，但这种黏性组分在很大程度上被忽视，尽管它很可能在构建土壤结构和稳定碳方面发挥核心作用。

对我们脚下大陆尺度的考察

为了了解这种微生物胶在大尺度上的表现，研究人员沿着一条覆盖地中海干旱区、温带森林和北部冷凉地带的5500公里欧洲横断线，从92个采样点采集了表层土壤。样点的母岩主要属于三类——碳酸盐岩、沉积岩和硅酸盐岩，土地利用类型包括农田、草地和林地。对每份土壤，研究者测定了EPS含量、分离其糖类与蛋白成分、估算这些物质所携带的碳量，并将这些数据与气候、矿物组成、植物根系和微生物活动等多种特征进行比较。

欧洲土壤中有多少微生物胶？

研究团队发现EPS分布广泛且含量丰富，但变异很大。所有采样点中，每克土壤的EPS含量相差达十六倍。平均来看，EPS-碳约占土壤有机碳总量的1.6%，这个比例虽小，但可能被低估，因为提取方法只能回收一部分EPS。测得的EPS中，糖类聚合物约占三分之二，蛋白质约占三分之一。值得注意的是，微生物生物量更高、粘土含量和钙含量更高的土壤往往含有更多的EPS，较湿润的气候也有利于更高的EPS含量。这表明活体微生物与土壤的矿物框架共同作用，构建并保存这一黏性碳库。

岩石、根系与土地利用都留下指纹

母岩类型被证明是一个重要的潜在控制因素。发育于碳酸盐岩上的土壤通常比硅酸盐岩或沉积岩上的土壤含有更多的EPS和EPS-碳，可能因为它们含有更多粘土、具有更高的带电养分保持能力，以及更多的钙能将EPS桥接到矿物表面。土地利用则影响其他方面：草地的EPS蛋白含量尤为高，农田和草地相比林地呈现出相对于活体微生物生物量更高的EPS-碳比例。研究还将EPS与微生物“遗骸”（微生物死亡后残留的细胞碎片）进行比较，发现虽然遗骸所含碳量大约是测得EPS的十倍，两者以及总土壤碳彼此之间仍存在紧密联系。

胁迫、生存与碳贮存

通过比较EPS-碳和活体微生物中的碳，研究者推断了微生物的资源配置策略。在更干燥、受水分限制更强的土壤中——通常位于沉积岩地区——微生物相对于其生物量投入更多碳到EPS中，尽管总体微生物丰度较低。该模式表明一种生存策略：在胁迫下，微生物将碳从生长转向构建保护性包被和胶黏剂。在条件较温和、生长更容易的地方，微生物更多将碳用于新细胞构建，相对而言投入到EPS的比例较低，即便绝对EPS含量仍可能很高。气候、植物根系、土壤化学性质和微生物特性通过一系列直接和间接作用共同影响EPS-碳的累积及其与活体生物量之间的平衡。

为什么这种隐藏的胶对未来很重要

简而言之，研究表明微生物胶是土壤碳中一个虽小但影响深远的组成部分。尽管EPS-碳仅占总量的几个百分比，但它有助于将土壤颗粒粘结成稳定的团聚体，并将其他形式的微生物残留物锚定到矿物上，从而增强碳的长期贮存。由于EPS对水分胁迫、土地利用和母岩类型敏感，它在气候变化、耕作选择和土壤碳稳定性之间形成了一条敏感的联系。理解并最终管理这种无形的胶，可能有助于保持土壤肥力、增强抗旱缓冲能力，并提高土壤长期储碳的能力。

引用: Shi, K., Zheng, Q., Wang, B. et al. Continental-scale drivers of soil microbial extracellular polymeric substances. Nat Commun 17, 3334 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70068-0

关键词: 土壤碳, 微生物生物膜, 细胞外高分子物质, 土地利用变化, 气候–土壤相互作用