近日，土壤生态学团队在全球碳农业对农田生态系统多功能性影响研究方面取得重要进展，相关成果以“Soil biota abundance supports ecosystem multifunctionality under carbon farming”为题，发表在National Science Review (《国家科学评论》，NSR)。

该研究基于全球8509个田间观测数据，系统评估了植物源（豆科覆盖作物）和动物源（蚯蚓堆肥）碳输入对农田生态系统多功能性的影响。研究在全球尺度上揭示了土壤多营养级生物个体数量（丰度）作为关键生物多样性维度在促进农田生态系统多功能性中的重要作用，且其主要受当地土壤性质和气候条件的调控。研究还整合了碳源特性与环境背景信息，为如何在全球范围内实施因地制宜的精准碳农业管理提供了指导。该研究不仅拓展了生物多样性–生态功能关系理论在农田生态系统中的应用，也为在“同一健康”（One Health）目标框架下的可持续农业提供了科学依据。

全球粮食需求激增使农田面临土壤退化、碳流失和生物多样性下降等多重压力。在此背景下，“碳农业”（Carbon Farming）——即通过植物源（如覆盖作物、秸秆）或动物源（如堆肥、粪肥）有机物提升土壤碳储量——被视为一种可持续的气候智慧型管理策略。然而，碳农业措施如何影响农田生态系统多功能性，在全球尺度上尚缺乏系统量化研究。

在自然生态系统中，物种丰富度常被视为生物多样性的核心维度，与生态系统功能存在紧密关联。然而，农田生态系统以单一栽培、简化资源输入和频繁扰动为特征，这种高干扰和同质化环境往往导致土壤生物群落呈现高度不均衡的丰度分布—少数优势类群占据主导，大量稀有种共存。此类系统中，优势类群可能通过质量比效应深刻影响生态功能；同时，丰度变化通常先于物种更替，且能更直接反映活跃生物量与代谢潜力变化，因而在驱动生态系统多功能性方面可能更具重要性。据此推测，在高度管理的农田系统中，碳输入背景下土壤生物群丰度更可能成为解释生态系统多功能性增益的关键因素。

为此，研究团队整合全球8509个田间观测数据，聚焦细菌、真菌、线虫与蚯蚓等关键土壤生物类群，通过荟萃分析系统评估了植物源碳输入（以豆科覆盖作物为代表）与动物源碳输入（以蚯蚓堆肥为代表）对农田生态系统功能的影响，旨在揭示土壤生物丰度和丰富度作为生物多样性的关键维度在驱动农田多功能性中的作用，并在此基础上探索针对不同区域农田土壤和气候特征的精准碳农业管理策略。

主要结果

1. 碳农业措施显著提升生态系统多功能性

        基于全球8509个田间观测数据，研究系统量化了豆科覆盖作物（植物源碳输入代表）和蚯蚓堆肥（动物源碳输入代表）对九大生态系统功能的影响，涵盖生物多样性保护、土壤健康维持、污染控制及粮食生产等关键生态过程。研究表明，两种碳输入均显著提升了生态系统多功能性，其中豆科覆盖作物使多功能性提升17%，而蚯蚓堆肥提升幅度达31%。增益主要集中在生态系统的支持服务与供给服务，尤其在土壤生物活性、土壤肥力、土壤结构、作物生产与品质上效果显著，但在温室气体排放控制方面略有下降。在生物多样性维持层面，两种碳输入均显著促进土壤生物丰度（豆科覆盖作物+53%，蚯蚓堆肥+67%），而对物种丰富度的提升有限（蚯蚓堆肥仅+13%，豆科覆盖作物无显著变化）。这一结果凸显，在碳农业系统中，土壤生物丰度与生态系统多功能性的联系可能比物种丰富度更紧密。

图1. 碳农业措施提升全球尺度生态系统多功能性。

2. 土壤生物丰度比物种丰富度更能解释多功能性增益

        研究进一步评估了土壤生物丰度与丰富度在农田生态系统多功能性中的相对贡献（图2）。结果显示，在两类碳输入下，丰度的贡献均显著高于丰富度：豆科覆盖作物下丰度解释 22.4%的多功能性增益，而丰富度仅为 3.9%；蚯蚓堆肥下两者分别为 17.8% 和 4.6%。土壤生物丰度与丰富度的贡献差值均为正值，表明土壤生物丰度在解释多功能性方面显著高于丰富度。进一步分析发现，土壤生物丰度与各单项生态系统功能之间呈现“双赢”关系的比例高达 71%–84%，而物种丰富度对应的“双赢”比例仅为 48%–67%，且表现出更多的“权衡”关系。换言之，碳农业之所以有效，更多是因为让土壤中的生物整体“变得更多”，而不仅仅是“物种更丰富”。

图2. 土壤生物丰度对农田生态系统多功能性的贡献高于物种丰富度。

3. 土壤性质和气候因子共同调控土壤生物丰度

        研究进一步分析了气候、初始土壤性质及碳底物特性等预测因子对土壤生物丰度的作用。结果表明，无论采用哪种碳输入方式，初始土壤性质均为主要调控因素（解释力 51%–58%），其次为气候条件（26%–31%）（图3）。在豆科覆盖作物系统中，土壤质地是关键正向驱动因子；而在蚯蚓堆肥系统中，初始土壤有机碳和pH则是主要负向预测因子——这意味着在低有机碳或酸性土壤中，蚯蚓堆肥的效果尤为显著。更重要的是，气候、土壤性质与碳底物特性之间存在显著交互作用（图4）。例如，在半干旱、细质地土壤条件下，具有低N/P比、高C/P比及高磷投入的豆科覆盖作物能够最大化土壤生物丰度增益。这表明碳农业措施的的生态效益高度依赖于环境背景，因此，因地制宜的管理策略是提升多功能性的关键。

图3. 碳农业系统中土壤生物丰度主要受当地土壤性质和气候因子调控。

图4. 土壤生物丰度受当地土壤性质、气候因子和碳底物特性交互作用影响。

4. 全球预测与精准碳农业管理建议

        研究团队利用全球尺度10 km分辨率的耕地、气候和土壤性质栅格数据，对碳农业措施对土壤生物丰度的潜在增益进行了全球预测，并绘制了全球精准碳农业优化管理图谱。结果显示，豆科覆盖作物平均可提升土壤生物丰度约 48%，蚯蚓堆肥约 42%，但不同地区的响应差异显著。基于精准碳农业管理策略，通过结合当地土壤特性与气候条件，匹配最适宜的碳输入类型，可以在不同区域最大化土壤生物丰度及生态系统多功能性。这一全球预测不仅为精准碳农业管理提供了量化依据，也为优化碳源类型与区域农田生态条件的最优适配提供了参考。

图5. 碳农业对土壤生物丰度的全球预测及因地制宜管理建。

亮点

        该研究首次在全球尺度上证实，碳农业能够显著提升农田生态系统多功能性，并揭示了土壤生物丰度这一重要的生物多样性维度与生态系统多功能性之间的紧密联系。研究结果并非否定物种多样性的重要性，而是强调：在高度管理的农田生态系统中，土壤生物丰度与丰富度为互补的生物多样性维度，其中丰度对碳农业措施的响应通常更敏感，并且更直接、更高效地转化为多功能性增益。未来农业管理需兼顾生物数量和物种多样性，通过协同增强生物多样性的不同维度，以保障农田生态系统多功能性的稳定与可持续。该研究不仅为全球碳农业策略优化提供了科学依据，也为在 One Health框架下推进土壤健康管理提供了新思路。

南京农业大学博士生薛文凤、刘婷教授和兰州大学博士后程赛赛为论文的共同第一作者，刘满强教授和刘婷教授为共同通讯作者。合作者包括南京农业大学陈小云教授和加拿大麦吉尔大学Joann Whalen教授系统指导了该研究。该研究得到国家重点研发计划项目（2022YFD1500203）、甘肃省科技计划项目（24RCKB002）和国家自然科学基金项目（42177286, 42077047）的共同资助。

前期相关工作：

薛文凤，程赛赛，胡锋，刘满强．生态集约化提升农田土壤多功能性的研究进展[J/OL]．土壤学报. https://link.cnki.net/urlid/32.1119.P.20250822.1759.002

Liu T, Chen X, Gong X et al. Earthworms coordinate soil biota to improve multiple ecosystem functions. Curr Biol 2019; 29(20): 3420-3429.

Cheng S, Gong X, Xue W et al. Evolutionarily conserved core microbiota as an extended trait in nitrogen acquisition strategy of herbaceous species. New Phytol 2024; 244(4): 1570-1584.

Cheng S, Xue W, Gong X et al. Reconciling plant and microbial ecological strategies to elucidate cover crop effects on soil carbon and nitrogen cycling. J Ecol 2024; 112(12): 2901-2916.

Zhang C, Xue W, Xue J et al. Leveraging functional traits of cover crops to coordinate crop productivity and soil health. J Appl Ecol 2022; 59(10): 2627-2641.

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag247

编辑：薛文凤

校正：朱梦一，刘满强

审核：刘满强