地球上有多少碳在土壤中？

有機(jī)碳如何在土壤中形成和長期儲(chǔ)存？

地球上儲(chǔ)存的土壤有機(jī)碳量

(資料圖片僅供參考)

是陸地植被有機(jī)碳的四倍

即便很小比例的流失

也可能加速全球變暖

近日

清華大學(xué)和康奈爾大學(xué)的研究者

帶領(lǐng)國際團(tuán)隊(duì)

在生態(tài)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域

開展深度學(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

對全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的決定性作用

促進(jìn)土壤有機(jī)碳形成和積累

是降低大氣二氧化碳濃度

應(yīng)對氣候變化的自然解決方案

傳統(tǒng)研究主要關(guān)注

植物有機(jī)碳輸入和土壤有機(jī)質(zhì)分解

這兩類機(jī)制對土壤有機(jī)碳的影響

近年來，新的研究強(qiáng)調(diào)了

微生物過程在土壤有機(jī)碳

形成和儲(chǔ)存中的關(guān)鍵作用

圖1.微生物碳利用效率對土壤有機(jī)碳的兩種控制途徑

微生物既是

土壤中主要的有機(jī)質(zhì)分解者

也通過其生長和死亡

直接產(chǎn)生土壤有機(jī)質(zhì)

解析微生物過程

對土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的

雙重控制機(jī)制和定量評估其相對重要性

是理解土壤碳循環(huán)

及其響應(yīng)氣候變化的關(guān)鍵

為此，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

組織的國際研究團(tuán)隊(duì)

以微生物碳利用效率為變量

整合了微生物過程

對土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的雙重控制機(jī)制

并探討了其與

全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系

通過將一個(gè)描述復(fù)雜

土壤碳循環(huán)的機(jī)理模型

與5萬多條土壤碳觀測數(shù)據(jù)相融合

發(fā)現(xiàn)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)自主開發(fā)的

“過程驅(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（圖3）

“PRODA方法

創(chuàng)造性地利用人工智能技術(shù)

結(jié)合過程模型

揭示了土壤碳循環(huán)過程的空間格局

這對利用過程模型

合理模擬土壤碳儲(chǔ)存至關(guān)重要”

黃小猛說

圖3. 全球土壤有機(jī)碳及其相關(guān)過程的空間格局

研究還發(fā)現(xiàn)微生物過程

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

其他所有過程的4倍以上（圖4）

“我們的團(tuán)隊(duì)突破性地解決了

在全球尺度評估

微生物過程與其他過程

對土壤碳儲(chǔ)存的相對重要性這一難題”

駱亦其說

圖4. 微生物碳利用效率相對其他土壤碳循環(huán)過程重要性

這項(xiàng)研究立足于

過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

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)評估了

各種土壤碳循環(huán)過程

對全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的相對貢獻(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

為通過土地管理影響微生物過程

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)

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的新范式

也為其他相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新思路

上述研究成果以

“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

發(fā)表在《自然》雜志上

陶鳳為第一作者

駱亦其和黃小猛為共同通訊作者

來自中國、美國、德國、法國

瑞典、瑞士、澳大利亞

意大利和英國的30多名合作者

參與了這項(xiàng)研究

研究得到國家自然科學(xué)基金

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和

國家留學(xué)基金委的支持

來源 | 地學(xué)系

原標(biāo)題：《微生物影響氣候變暖？清華團(tuán)隊(duì)最新揭示→》

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