地球上有多少碳在土壤中？有機碳如何在土壤中形成和長期儲存？
近日，清華大學和康奈爾大學的研究者帶領(lǐng)國際團隊在生態(tài)學和計算機科學領(lǐng)域開展深度學科交叉，利用人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)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。上述成果以“微生物碳利用效率促進全球土壤碳儲存”為題，日前發(fā)表在《自然》雜志上。
地球上儲存的土壤有機碳量是陸地植被有機碳的四倍，即便很小比例的流失，也可能加速全球變暖。因此，促進土壤固碳有助于降低大氣中的二氧化碳濃度，是應對氣候變化的自然解決方案之一。
該團隊介紹，傳統(tǒng)研究主要關(guān)注植物有機碳輸入和土壤有機質(zhì)分解這兩類機制對土壤有機碳的影響。近年來，新的研究強調(diào)了微生物過程在土壤有機碳形成和儲存中的關(guān)鍵作用。
研究團隊以微生物碳利用效率為變量，整合了微生物過程對土壤有機碳儲存的雙重控制機制，并探討了其與全球土壤有機碳儲量的關(guān)系。通過將一個描述復雜土壤碳循環(huán)的機理模型與5萬多條土壤碳觀測數(shù)據(jù)相融合，該團隊發(fā)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)微生物碳利用效率與土壤有機碳儲量正相關(guān)。微生物代謝中對有機合成較高的碳分配比例最終導致了土壤有機碳的積累，而不是流失。
研究發(fā)現(xiàn)，微生物碳利用效率在全球呈現(xiàn)低緯度低值和高緯度高值的格局，反映出微生物生理對溫度的適應性——在熱帶地區(qū)，微生物降低了對有機合成的碳分配比例，以適應高溫環(huán)境中維持代謝所需的更多能量?！皥F隊自主開發(fā)的‘過程驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動融合的深度學習建模方法’創(chuàng)造性地利用人工智能技術(shù)結(jié)合過程模型揭示了土壤碳循環(huán)過程的空間格局，這對利用過程模型合理模擬土壤碳儲存至關(guān)重要?！鼻迦A大學地球系統(tǒng)科學系教授黃小猛表示。
研究還發(fā)現(xiàn)，微生物過程在土壤碳儲存中發(fā)揮著最為關(guān)鍵的作用。準確描述微生物碳利用效率的空間格局是準確模擬全球土壤有機碳儲量和空間分布的關(guān)鍵，其重要性是土壤有機質(zhì)分解和植物碳輸入等其他過程的4倍以上。
業(yè)內(nèi)專家認為，這項研究整合了世界最大的土壤有機碳數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合先進人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，首次系統(tǒng)評估了各種土壤碳循環(huán)過程對全球土壤有機碳儲存的相對貢獻。研究構(gòu)建的機理模型、生態(tài)大數(shù)據(jù)與人工智能相融合的新范式也為其他相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新思路。
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