“寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。”相比于直徑達(dá)12742千米的地球來說，人類的觀察尺度和手段是何其渺小?若是僅憑借人力觀測，縱然終其一生，恐怕亦難以真正窮盡地球的一角。正因如此，在地球科學(xué)領(lǐng)域，借助信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)研究手段，將地球科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)深度結(jié)合才顯得尤為重要。

不久前發(fā)布的一項(xiàng)研究，正是這種結(jié)合的一次生動實(shí)踐。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系教授黃小猛、博士生陶鳳與美國康奈爾大學(xué)教授駱亦其組織的國際研究團(tuán)隊(duì)，通過深度學(xué)科交叉，揭示了微生物碳利用效率對全球土壤有機(jī)碳儲量的決定性作用。5月24日，研究論文以“微生物碳利用效率促進(jìn)全球土壤碳儲存”為題，在線發(fā)表于《自然》雜志。

不容忽視的“小家伙”

(資料圖片)

碳庫，也就是地球上碳的儲存庫，可以分為大氣碳庫、海洋碳庫、巖石圈碳庫、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫等若干部分。“其中，土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫最重要的組成部分之一，含碳量約為陸地植被有機(jī)碳的4倍。”論文共同通訊作者黃小猛介紹，“土壤有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中扮演著關(guān)鍵角色。其對碳的儲存能力是如此之強(qiáng)，以至于我們只要將其中的碳儲存量提升千分之四，便可以抵消目前人類一年的碳排放總量。”

土壤有機(jī)碳的作用如此重要，然而它究竟是如何形成并穩(wěn)定儲存在土壤中的?巖石、礦物等無生命活動的事物顯然不可能成為土壤有機(jī)質(zhì)的來源。動物在生物圈中重量占比極低，也與有機(jī)碳儲存的“首功”無緣。因此，傳統(tǒng)的科研范式把樹木、灌木、草等植物作為土壤有機(jī)碳碳儲存過程中的最大“功臣”。

論文第一作者陶鳳介紹，傳統(tǒng)的科研范式以植物輸入—有機(jī)物降解為核心，將土壤有機(jī)碳的儲存分為光合作用輸入碳分配、土壤呼吸等若干過程。“然而，近年來，越來越多的證據(jù)表明，依據(jù)傳統(tǒng)范式建立的過程模型并不能完全準(zhǔn)確地模擬土壤有機(jī)碳總量。”陶鳳說，“顯然，是人們忽略了一些肉眼看不見的‘小家伙’們。”

陶鳳口中的“小家伙”，就是土壤微生物。盡管微生物在宏觀尺度上顯得好像可以忽略不計(jì)，但卻是碳循環(huán)過程中不可忽視的一支“生力軍”。“近年來隨著科研范式的嬗變，將土壤微生物過程納入考慮已經(jīng)成為主流觀點(diǎn)。”黃小猛說。

撬動改變的大因素

和動植物一樣，渺小的土壤微生物并非不食人間煙火，它們也有新陳代謝，會經(jīng)歷生老病死。因此，土壤微生物既是土壤有機(jī)碳的消耗者，又是土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)者。一個問題也隨之而來：土壤微生物究竟是促進(jìn)了固碳，也就是貢獻(xiàn)了更多土壤有機(jī)碳，還是導(dǎo)致了碳排放，也就是消耗了更多的土壤有機(jī)碳呢?“這正是我們要弄清楚的一大問題。”陶鳳說。

黃小猛介紹，微生物碳利用效率(CUE)指的是微生物生物合成碳占微生物新陳代謝總碳的比例，是描述土壤微生物生理的重要參數(shù)。雖然微生物碳利用效率越高，越利于土壤微生物的生物合成，但是更多的生物合成最終是否可以轉(zhuǎn)化為更高的土壤有機(jī)碳儲量?在這一問題上，人們?nèi)圆磺宄?/p>

“目前存在兩種結(jié)果完全相反的控制路徑，高的微生物合成既可能意味著更多有機(jī)產(chǎn)物產(chǎn)生及微生物殘?bào)w最終保存在土壤中，同時(shí)也可能促進(jìn)微生物胞外酶的產(chǎn)生，后者將催化土壤有機(jī)質(zhì)的降解，導(dǎo)致土壤碳的流失。”黃小猛說。

此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先選定微生物碳利用效率作為變量，將描述復(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，在貝葉斯框架下確定了微生物過程對土壤有機(jī)碳儲存最可能的控制路徑。“這一步主要是為了弄清微生物究竟是在固碳，還是在排碳。”陶鳳解釋道，“結(jié)果表明，微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲量正相關(guān)。也就是說，微生物確實(shí)有助于推動固碳而非排碳，微生物在微觀新陳代謝中對生物合成較高的碳分配比例，最終轉(zhuǎn)化為宏觀尺度上更高的土壤有機(jī)碳儲量。”

“只做到這一步還不夠，我們想要把研究拓展到更深的層次。”黃小猛表示。研究團(tuán)隊(duì)基于自主開發(fā)的過程驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動融合的深度學(xué)習(xí)建模方法(PRODA)，通過人工智能技術(shù)的先進(jìn)算力和矩陣化模型構(gòu)建能力，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，獲取了涵蓋微生物碳利用效率、植物碳輸入、非微生物碳轉(zhuǎn)移效率等7種機(jī)制的空間分布格局，并定量評估了它們對全球土壤有機(jī)碳儲量和空間分布的相對貢獻(xiàn)。

“對比研究和綜合評估表明，相比于其他過程，微生物碳利用效率對土壤有機(jī)碳儲存的影響是最為關(guān)鍵的，比植物碳輸入等其他過程至少高出了4倍之多。”陶鳳表示，“這次的研究表明，小小的微生物，卻是撬動土壤有機(jī)碳儲存的大因素!”

在研究團(tuán)隊(duì)看來，此次研究的結(jié)論并沒有否定傳統(tǒng)的植樹造林等固碳手段對于土壤有機(jī)碳儲存的重要性，而是為未來科研與環(huán)保事業(yè)指出了一條更高效的新道路。雖然如此，研究團(tuán)隊(duì)也坦言，在目前的技術(shù)水平下，大范圍、高效率、低成本地調(diào)控微生物碳利用效率仍需要更多的理論和實(shí)踐研究。

“試想一下，如果我們能采取技術(shù)手段，有效地提高全球的微生物碳利用效率，那么土壤就能存儲更多的有機(jī)碳，進(jìn)而讓冰層消融、山林野火、反常低溫等一系列由于大氣二氧化碳濃度上升導(dǎo)致的惡性氣候變化得到遏止。”黃小猛表示，“此次研究表明，未來的土壤碳循環(huán)研究應(yīng)對微生物給予更多關(guān)注 。”

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