土壤微生物碳泵開啟陸地固碳新篇章

在陸地生態系統碳循環的過程中，土壤微生物既通過分解代謝向大氣釋放碳，同時也通過合成代謝將碳轉化成某種形式儲存於土壤中。一直以來，關於微生物分解代謝的研究很多，但對微生物通過合成代謝實現固碳作用的關注卻較少。現有研究證據表明，來源於微生物同化合成的產物——微生物細胞殘體是土壤穩定有機碳庫的重要組分。因此，了解並掌握如何調控微生物來源碳對於更好發揮土壤長期固碳作用並據此建立可持續管理措施具有重要意義。

近日，中國科學院瀋陽應用生態研究所研究員梁超與美國加州大學教授 Joshua Schimel 以及美國阿貢國家實驗室資深科學家 Julie Jastrow 等三位科學家創建了由微生物介導的土壤固碳過程的新型理論體系。相關成果以The Importance of Anabolism in Microbial Control over Soil Carbon Storage為題，在期刊Nature Microbiology的 Perspective 欄目下發表。

基於梁超提出的核心觀點——「土壤微生物碳泵」，該理論體系首次定義了「續埋效應」(entombing effect)，即長期微生物同化過程導致微生物殘留物的迭代持續積累，促進了一系列微生物殘留物在內的有機物質的形成，最終導致此類化合物穩定於土壤中。該理論體系結合微生物兩種不同的碳代謝模式——「體外修飾」(ex vivomodification)和「體內周轉」(in vivoturnover)，系統描述了土壤生態系統中來源於植物與微生物的碳的動態過程，闡明土壤微生物通過體內周轉途徑中的「碳泵」增強「續埋效應」，從而實現對土壤碳固存的貢獻。基於該理論體系，研究人員首創了嵌套「土壤微生物碳泵」的碳氮循環概念模型。此模型對於通過調控微生物來源碳，探索使土壤長期發揮固碳作用的管理措施，以及精準描述和解釋微生物代謝在土壤碳固存中的重要性具有顯著的科學價值。從長遠來看，針對該理論體系的深入研究可為優化我國農田地力、發展低碳經濟、增加氣候談判籌碼和提升國際影響力提供嶄新的思路，具有重要戰略意義。此外，研究對當前一些基礎生態問題提出了具有前瞻性和指導性的假設：微生物通過「體外修飾」和「體內周轉」調控土壤有機碳化學組成；通過「激發效應」和「續埋效應」調控土壤穩定有機碳庫儲量動態。

該研究主要得到了中科院戰略性先導科技專項（B類）課題、國家自然科學基金面上項目以及國家重點研發計劃項目的支持。

微生物碳泵示意圖：微生物同化合成的碳由土壤微生物碳泵進入土壤並通過續埋效應而穩定於土壤碳庫中。碳泵連接地上部植被和地下部土壤，其主要組成部分用陰陽圖形象表徵了碳泵的動態運轉，並體現了其動態的驅動者真細菌群落。

來源：中國科學院瀋陽應用生態研究所

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