“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。”相比于直径达12742千米的地球来说，人类的观察尺度和手段是何其渺小？若是仅凭借人力观测的话，纵然终其一生，恐怕亦难以真正穷尽地球的一角。正因如此，在地球科学领域，借助信息技术、人工智能技术等先进研究手段，将地球科学与计算机科学深度结合才显得尤为重要。

不久前发布的一项研究，正是这种结合的一次生动实践。

清华大学地球系统科学系黄小猛教授、2018级博士生陶凤与美国康奈尔大学骆亦其教授组织的国际研究团队，通过深度学科交叉，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。5月24日，论文以“微生物碳利用效率促进全球土壤碳储存”为题，在线发表在《自然》杂志上。

不容忽视的“小家伙”

地球系统指由大气圈、水圈、陆圈和生物圈组成的有机整体。发源于传统地球科学的地球系统科学就是研究这一有机整体的学科。与碳元素这一全球气候变化的主要因素相关的研究正是地球系统科学的“主职主业”之一。

碳库，也就是地球上碳的储存库，可以分为大气碳库、海洋碳库、岩石圈碳库、陆地生态系统碳库等若干部分。“其中，土壤有机碳是陆地生态系统碳库最重要的组成部分之一，含碳量约为陆地植被有机碳的4倍。”论文共同通讯作者黄小猛介绍，“土壤有机碳在全球碳循环中的扮演着关键⻆⾊。其对碳的储存能力是如此之强，以至于我们只要将其中的碳储存量提升千分之四，便可以抵消目前人类一年的碳排放总量。”

土壤有机碳的作用如此重要，然而它究竟是如何形成并稳定储存在土壤中的？岩石、矿物等无生命活动的事物显然不可能成为土壤有机质的来源。动物在生物圈中重量占比极低，也与有机碳储存的“首功”无缘。因此，传统的科研范式把树木、灌木、草等植物作为了土壤有机碳碳储存过程中的最大“功臣”。

论文第一作者陶凤介绍，传统的科研范式以植物输⼊—有机物降解为核⼼，将土壤有机碳的储存分为了光合作用输入碳分配、土壤呼吸等若干过程。“然而，近年来越来越多的证据表明，依据传统范式建立的过程模型并不能完全准确地模拟土壤有机碳总量。”陶凤说，“显然，是人们忽略了什么，忽略了一些肉眼看不见的‘小家伙’们。”

陶凤口中的“小家伙”，就是土壤微生物。尽管微生物在宏观尺度上显得好像可以忽略不计，但却是碳循环过程中不可忽视的一支“生力军”。“近年来随着科研范式的嬗变，将土壤微⽣物过程纳入考虑已经成为主流观点。”黄小猛说。

撬动改变的大因素

和动植物一样，渺小的土壤微生物并非不食人间烟火，也有新陈代谢，会经历生老病死。因此，土壤微生物既是土壤有机碳的消耗者，又是土壤有机碳的贡献者。一个问题也随之而来，土壤微生物究竟是促进了固碳，也就是贡献了更多土壤有机碳，还是导致了碳排放，也就是消耗了更多的土壤有机碳呢？“这正是我们要弄清楚的一大问题。”陶凤说。

黄小猛介绍，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陈代谢总碳的比例，是描述土壤微生物生理的重要参数。虽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是否可以最终转化为更高的土壤有机碳储量仍不清楚。“存在两种结果完全相反控制路径，高的微生物合成既可能意味着产生更多有机产物及微生物残体最终保存在土壤中，同时也可能促进了微生物胞外酶的产生，后者将催化土壤有机质的降解，导致土壤碳的流失。”黄小猛说。

此次研究中，研究团队首先选定了微生物碳利用效率作为变量，将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，在贝叶斯框架下确定了微生物过程对土壤有机碳储存最可能的控制路径。“这一步主要是为了弄清微生物究竟是在固碳，还是在排碳。”陶凤解释道，“结果表明，微生物碳利用效率与土壤有机碳储量正相关。也就是说，微生物确实有助于推动固碳而非排碳，微生物在微观新陈代谢中对生物合成较高的碳分配比例最终转化为了宏观尺度更高的土壤有机碳储量。”

“只做到这一步还不够，我们想要把研究拓展到更深层次。”黄小猛表示。研究团队基于自主开发的过程驱动和数据驱动融合的深度学习建模方法（PRODA），通过人工智能技术的先进算力和矩阵化模型构建能力，将站点尺度的数据模型融合结果扩展到全球尺度，获取了包括微生物碳利用效率在内，涵盖植物碳输⼊、非微生物碳转移效率等七种机制的空间分布格局，并定量评估了它们对全球土壤有机碳储量和空间分布的相对贡献。

“对比研究和综合评估表明，相比于其他过程，微生物碳利用效率对土壤有机碳储存的影响是最为关键的，比植物碳输入等其他过程至少高出了4倍之多。”陶凤表示，“这次的研究表明，小小的微生物，却是撬动土壤有机碳储存的大因素！”

在研究团队看来，此次研究的结论并没有否定传统的植树造林等固碳手段对于土壤有机碳储存的重要性，而是为未来科研与环保事业指出了一条更高效的新道路。虽然如此，研究团队也坦言，目前的技术水平下大范围、高效率、低成本地调控微生物碳利用效率仍需要更多的理论和实践研究。

“试想一下，如果我们能采取手段有效提高全球的微生物碳利用效率，那么土壤就能存储住更多的有机碳，让冰层消融、山林野火、反常低温等一系列由于大气二氧化碳浓度上升导致的恶性气候变化得到遏止。”黄小猛表示，“此次研究表明，未来的土壤碳循环研究应更多地关注微生物。”

科技日报 李诏宇