微生物影响气候变暖？清华团队最新揭示→
地球上有多少碳在土壤中？
有机碳如何在土壤中形成和长期储存？
地球上储存的土壤有机碳量
是陆地植被有机碳的四倍
即便很小比例的流失
也可能加速全球变暖
近日
清华大学和康奈尔大学的研究者
带领国际团队
在生态学和计算机科学领域
开展深度学科交叉
利用人工智能和数据同化技术
揭示了微生物碳利用效率
对全球土壤有机碳储量的决定性作用
促进土壤有机碳形成和积累
是降低大气二氧化碳浓度
应对气候变化的自然解决方案
传统研究主要关注
植物有机碳输入和土壤有机质分解
这两类机制对土壤有机碳的影响
近年来，新的研究强调了
微生物过程在土壤有机碳
形成和储存中的关键作用
微生物既是
土壤中主要的有机质分解者
也通过其生长和死亡
直接产生土壤有机质
解析微生物过程
对土壤有机碳储存的
双重控制机制和定量评估其相对重要性
是理解土壤碳循环
及其响应气候变化的关键
为此，清华大学地球系统科学系
黄小猛教授、博士生陶凤以及
康奈尔大学骆亦其教授
组织的国际研究团队
以微生物碳利用效率为变量
整合了微生物过程
对土壤有机碳储存的双重控制机制
并探讨了其与
全球土壤有机碳储量的关系
通过将一个描述复杂
土壤碳循环的机理模型
与5万多条土壤碳观测数据相融合
发现在全球范围内
微生物碳利用效率
与土壤有机碳储量正相关（图2）
微生物代谢中对有机合成
较高的碳分配比例
最终导致了土壤有机碳的积累
而不是流失
图2. 涌现的微生物碳利用效率与土壤有机碳储量关系
研究团队进一步
基于团队自主开发的
“过程驱动和数据驱动融合的
深度学习建模（PRODA）方法”
将站点尺度的数据-模型融合结果
扩展到全球尺度（图3）
“PRODA方法
创造性地利用人工智能技术
结合过程模型
揭示了土壤碳循环过程的空间格局
这对利用过程模型
合理模拟土壤碳储存至关重要”
图3. 全球土壤有机碳及其相关过程的空间格局
研究还发现微生物过程
在土壤碳储存中发挥着最为关键的作用
准确描述微生物碳利用效率的空间格局
是准确模拟全球土壤有机碳储量
和空间分布的关键
其重要性是土壤有机质分解和植物碳输入等
其他所有过程的4倍以上（图4）
“我们的团队突破性地解决了
在全球尺度评估
微生物过程与其他过程
对土壤碳储存的相对重要性这一难题”
图4. 微生物碳利用效率相对其他土壤碳循环过程重要性
这项研究立足于
过去两百年的土壤碳循环理论
整合了世界最大的土壤有机碳数据库
并结合先进人工智能和数据同化技术
首次系统评估了
各种土壤碳循环过程
对全球土壤有机碳储存的相对贡献
研究揭示了微生物碳利用效率
与土壤有机碳储量的关系
为通过土地管理影响微生物过程
促进土壤固碳和实现碳中和目标
提供了科学理论基础
研究构建的机理模型
生态大数据与人工智能相融合的新范式
也为其他相关领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进全球土壤碳储存”
（Microbial carbon use efficiency promotes
global soil carbon storage）为题
发表在《自然》杂志上
陶凤为第一作者
骆亦其和黄小猛为共同通讯作者
来自中国、美国、德国、法国
瑞典、瑞士、澳大利亚
意大利和英国的30多名合作者
参与了这项研究
研究得到国家自然科学基金
国家重点研发计划和
国家留学基金委的支持
来源 | 地学系
图片设计｜Victor O. Leshyk
（北亚利桑那大学生态系统科学与社会中心）
排版 | 吴新姿
编辑 | 赵姝婧
审核 | 许亮
清华大学版权所有，联系邮箱
thuxwzx@tsinghua.edu.cn
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