在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)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(zhuǎn)化成某種形式儲存于土壤中。一直以來，關(guān)于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(xiàn)固碳作用的關(guān)注卻較少。現(xiàn)有研究證據(jù)表明，來源于微生物同化合成的產(chǎn)物——微生物細胞殘體是土壤穩(wěn)定有機碳庫的重要組分。因此，了解并掌握如何調(diào)控微生物來源碳對于更好發(fā)揮土壤長期固碳作用并據(jù)此建立可持續(xù)管理措施具有重要意義。

　　近日，中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)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(chuàng)建了由微生物介導(dǎo)的土壤固碳過程的新型理論體系。相關(guān)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(fā)表。

　　基于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(xù)埋效應(yīng)”(entombing effect)，即長期微生物同化過程導(dǎo)致微生物殘留物的迭代持續(xù)積累，促進了一系列微生物殘留物在內(nèi)的有機物質(zhì)的形成，最終導(dǎo)致此類化合物穩(wěn)定于土壤中。該理論體系結(jié)合微生物兩種不同的碳代謝模式——“體外修飾”(ex vivo modification)和“體內(nèi)周轉(zhuǎn)”(in vivo turnover)，系統(tǒng)描述了土壤生態(tài)系統(tǒng)中來源于植物與微生物的碳的動態(tài)過程，闡明土壤微生物通過體內(nèi)周轉(zhuǎn)途徑中的“碳泵”增強“續(xù)埋效應(yīng)”，從而實現(xiàn)對土壤碳固存的貢獻。基于該理論體系，研究人員首創(chuàng)了嵌套“土壤微生物碳泵”的碳氮循環(huán)概念模型。此模型對于通過調(diào)控微生物來源碳，探索使土壤長期發(fā)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(yōu)化我國農(nóng)田地力、發(fā)展低碳經(jīng)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(zhàn)略意義。此外，研究對當前一些基礎(chǔ)生態(tài)問題提出了具有前瞻性和指導(dǎo)性的假設(shè)：微生物通過“體外修飾”和“體內(nèi)周轉(zhuǎn)”調(diào)控土壤有機碳化學組成；通過“激發(fā)效應(yīng)”和“續(xù)埋效應(yīng)”調(diào)控土壤穩(wěn)定有機碳庫儲量動態(tài)。

　　該研究主要得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)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(fā)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并通過續(xù)埋效應(yīng)而穩(wěn)定于土壤碳庫中。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征了碳泵的動態(tài)運轉(zhuǎn)，并體現(xiàn)了其動態(tài)的驅(qū)動者真細菌群落。