科技日報實習(xí)記者?李詔宇
“寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。”相比于直徑達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)等先進研究手段，將地球科學(xué)與計算機科學(xué)深度結(jié)合才顯得尤為重要。
(資料圖)
不久前發(fā)布的一項研究，正是這種結(jié)合的一次生動實踐。
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隊，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”
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碳的4倍。”論文共同通訊作者黃小猛介紹，“土壤有機碳在全球碳循環(huán)中扮演著關(guān)鍵角色。其對碳的儲存能力是如此之強，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質(zhì)的來源。動物在生物圈中重量占比極低，也與有機碳儲存的“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—有機物降解為核心，將土壤有機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確地模擬土壤有機碳總量。”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，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。”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碳的消耗者，又是土壤有機碳的貢獻者。一個問題也隨之而來：土壤微生物究竟是促進了固碳，也就是貢獻了更多土壤有機碳，還是導(dǎo)致了碳排放，也就是消耗了更多的土壤有機碳呢？“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產(chǎn)物產(chǎn)生及微生物殘體最終保存在土壤中，同時也可能促進微生物胞外酶的產(chǎn)生，后者將催化土壤有機質(zhì)的降解，導(dǎo)致土壤碳的流失。”黃小猛說。
此次研究中，研究團隊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碳儲量正相關(guān)。也就是說，微生物確實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。研究團隊基于自主開發(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)的先進算力和矩陣化模型構(gòu)建能力，將站點尺度的數(shù)據(jù)模型融合結(jié)果擴展到全球尺度，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種機制的空間分布格局，并定量評估了它們對全球土壤有機碳儲量和空間分布的相對貢獻。
“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，卻是撬動土壤有機碳儲存的大因素！”
在研究團隊看來，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，研究團隊也坦言，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碳，進而讓冰層消融、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 。”
