清華新聞網(wǎng)5月25日電 地球上儲(chǔ)存的土壤有機(jī)碳量是陸地植被有機(jī)碳的四倍，很小比例的流失也可能加速氣候變暖。促進(jìn)土壤固碳有助于降低大氣中的二氧化碳濃度，是應(yīng)對(duì)氣候變化的自然解決方案之一。清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系黃小猛教授、博士生陶鳳以及康奈爾大學(xué)駱亦其教授組織的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在生態(tài)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展深度學(xué)科交叉，利用人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，揭示了微生物碳利用效率對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的決定性作用。
研究立足于過(guò)去兩百年的土壤碳循環(huán)理論，整合了世界最大的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合先進(jìn)人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，首次系統(tǒng)評(píng)估了各種土壤碳循環(huán)過(guò)程對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的相對(duì)貢獻(xiàn)。研究揭示了微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系，為通過(guò)土地管理影響微生物過(guò)程、促進(jìn)土壤固碳和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了科學(xué)理論基礎(chǔ)。此外，研究構(gòu)建的機(jī)理模型、生態(tài)大數(shù)據(jù)與人工智能相融合的新范式也為其他相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新思路。
微生物既是土壤中主要的有機(jī)質(zhì)分解者，也通過(guò)其生長(zhǎng)和死亡直接產(chǎn)生土壤有機(jī)質(zhì)。解析微生物過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的雙重控制機(jī)制和定量評(píng)估其相對(duì)貢獻(xiàn)，是理解土壤碳循環(huán)及其響應(yīng)氣候變化的關(guān)鍵。
為此，研究團(tuán)隊(duì)以微生物碳利用效率為變量，整合了微生物過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的雙重控制機(jī)制，探討了其與全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系。微生物碳利用效率代表了微生物如何在代謝中將碳分配于生物合成和礦化分解之間。高的微生物碳利用效率意味著通過(guò)增加的生物量，進(jìn)而產(chǎn)生更多的凋亡物及有機(jī)副產(chǎn)物，以此來(lái)促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。另一方面，這也可能意味著促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解的酶更多被合成，并最終加速土壤有機(jī)碳的流失（圖1）。
圖1.微生物碳利用效率對(duì)土壤有機(jī)碳的兩種控制途徑
研究將描述復(fù)雜土壤碳循環(huán)的機(jī)理模型與五萬(wàn)多條土壤碳觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相融合，在貝葉斯框架下確定了微生物過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存最可能的控制路徑。結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)，微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量正相關(guān)（圖2），微生物代謝中對(duì)有機(jī)合成較高的碳分配比例最終導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的積累而不是流失。
圖2.涌現(xiàn)的微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量關(guān)系
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的“過(guò)程驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的深度學(xué)習(xí)建模（PRODA）方法”，將站點(diǎn)尺度的數(shù)據(jù)-模型融合結(jié)果擴(kuò)展到全球尺度，獲取了包括微生物碳利用效率在內(nèi)的七類(lèi)土壤碳循環(huán)過(guò)程的空間分布格局，并定量評(píng)估了它們對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和空間分布的相對(duì)貢獻(xiàn)。微生物碳利用效率在全球呈現(xiàn)低緯度低值和高緯度高值的格局（圖3），反映出微生物生理對(duì)溫度的適應(yīng)性——在熱帶地區(qū)，微生物降低了對(duì)有機(jī)合成的碳分配比例，以適應(yīng)高溫環(huán)境中維持代謝所需的更多能量。“PRODA方法創(chuàng)造性地利用人工智能技術(shù)結(jié)合過(guò)程模型揭示了土壤碳循環(huán)過(guò)程的空間格局，這對(duì)利用過(guò)程模型合理模擬土壤碳儲(chǔ)存至關(guān)重要?！鼻迦A大學(xué)黃小猛教授表示。
圖3.全球土壤有機(jī)碳及其相關(guān)過(guò)程的空間格局
研究還發(fā)現(xiàn)，微生物過(guò)程在土壤碳儲(chǔ)存中發(fā)揮著最為關(guān)鍵的作用。準(zhǔn)確描述微生物碳利用效率的空間格局是準(zhǔn)確模擬全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和空間分布的關(guān)鍵，其重要性是土壤有機(jī)質(zhì)分解和植物碳輸入等其他過(guò)程的四倍以上（圖4）。“研究團(tuán)隊(duì)突破性地解決了在全球尺度評(píng)估微生物過(guò)程與其他過(guò)程對(duì)土壤碳儲(chǔ)存的相對(duì)重要性這一難題?！笨的螤柎髮W(xué)駱亦其教授這樣評(píng)價(jià)。
圖4.微生物碳利用效率相對(duì)其他土壤碳循環(huán)過(guò)程重要性
相關(guān)成果以“微生物碳利用效率促進(jìn)全球土壤碳儲(chǔ)存”（Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage）為題，于5月24日發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。
清華大學(xué)2018級(jí)直博生陶鳳為論文第一作者，康奈爾大學(xué)駱亦其教授和清華大學(xué)黃小猛教授為共同通訊作者。來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、瑞士、澳大利亞、意大利和英國(guó)的30多名合作者參與了這項(xiàng)研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家留學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06042-3
供稿：地學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
