由加速的微生物生长强化的资源限制削弱了成熟森林对升高CO2的响应

为什么空气中额外的碳并不保证森林会更多生长

随着大气中二氧化碳浓度上升，许多人希望森林会更快生长并吸收更多过剩的碳，从而减缓气候变化。但森林不仅依赖碳，它们还需要来自土壤的营养物质，并与庞大的微生物群落共享这些营养。该研究探讨了在澳大利亚一片成熟桉树林中，将空气CO2增强维持十年后会发生什么，揭示了饥饿的土壤微生物如何限制森林固碳的能力。

在真实世界中的森林实验

为超越小型花盆植物和短期试验，研究者在澳大利亚的本地桉树林中使用了一个大型露天实验——EucFACE。在那里，巨大的金属环围绕森林小片并将额外的CO2轻柔释放到空气中，将浓度提高到本世纪晚些时候预期的水平，而附近的对照环保持当前水平。该地点的土壤磷含量很低，磷是植物生长的关键营养元素。早期研究显示，额外的CO2最初确实促进了树木的光合作用，但生物量并未显著增加，且新增的碳大多从土壤呼出回大气。科学家怀疑土壤微生物可能在囤积磷并限制树木生长，但他们需要直接测试这些微生物如何对碳和养分短缺作出反应。

测试土壤微生物缺什么

研究团队在处理十年后从常CO2环和高CO2环采集土壤样本。在实验室里，他们进行了两类实验。首先，在短期内向土壤添加不同组合的碳、氮和磷，并测量微生物生长和呼吸的速率。某种添加如果导致生长激增，就表明该资源最为短缺。其次，他们进行了为期六周的长期试验，向土壤添加大量落叶枯枝，且有无额外的氮与磷，以观察随着时间推移微生物在生长、酶活性和养分储存方面的响应。

微生物先渴望碳，其次是磷

与对这片磷贫乏森林的预期相反，发现微生物生长主要受碳限制，次要受磷限制。换言之，土壤中的分解者最受限于可直接利用的碳源，尽管植物本身确实受到低磷的制约。添加碳和叶物质强烈刺激了微生物生长，而将这些输入与磷结合使效果更为显著，证实了两种资源都很重要。令人意外的是，长期暴露于升高的CO2使这些限制变得更强：高CO2土壤中的微生物在补充碳和磷时表现出更大的生长反应，表明它们对这两种资源更加缺乏。

生长更快的微生物，群落面貌变化不大

为什么在升高CO2下，当更多的植物碳流入土壤时，微生物反而更受碳限制？作者提出额外的根源分泌物和凋落物有利于“嗜富营养”微生物——那些在资源充足时快速生长但需要大量燃料维持这种速度的生物。测量结果支持这一观点：总体微生物生长率在升高CO2下更高，主要由细菌驱动，而呼吸、总生物量和广义群落组成变化不大。专门从有机物中提取碳和磷的酶变得更为显著，表明微生物投入了更多精力去获取这些稀缺资源。与此同时，微生物在有磷可用时将磷高效地固定到自身生物量中，进一步收紧了局部养分循环。

对森林碳储存的意义

呈现出的图景是：在一片成熟森林中，额外的大气CO2将更多碳输入土壤，但这主要加速了一个快速生长且对碳与磷均感饥渴的微生物群落。这些微生物快速消耗新鲜的凋落物，从旧有有机质中挖掘养分，并将磷固定在细胞内。因此，留给树木的磷更少，很多流入的碳迅速返回大气，而不是被存储在木材或长期存在的土壤库中。对普通读者来说，结论是：提高CO2并不保证森林会储存更多碳。根系与微生物之间关于养分的隐性拉锯可以削弱森林作为长期碳汇的作用，尤其是在年久且磷贫的生态系统中。

引用: Yuan, M., Macdonald, C.A., Hicks, L.C. et al. Strengthened resource limitation driven by accelerated microbial growth dampens response to elevated CO₂ in a mature forest. Commun Earth Environ 7, 261 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03365-7

关键词: 升高的CO2, 土壤微生物, 森林碳, 磷限制, EucFACE