固碳微生物每年可在陆地生态系统中固定高达4.9 Pg C，尤其在植被生长受到低降水限制的地区发挥着至关重要的作用。然而，半干旱草地固碳微生物的碳固定尚未得到充分的研究，控制这一过程的影响因素尚不清楚。

近期，黄懿梅教授研究组以黄土高原草地生态系统为研究对象，通过13C标记、基于宏基因组学的代谢途径和微生物群落分析，揭示了固碳微生物的代谢途径决定了沿降水梯度草地土壤固碳速率的变化，阐明了土壤碳循环中微生物同化CO2增加土壤有机碳过程中的新机制。研究成果以“Metabolic pathways of CO2 fixing microorganisms determined C-fixation rates in grassland soils along the precipitation gradient”为题发表在土壤科学领域著名期刊Soil Biology and Biochemistry 。博士研究生黄倩为论文第一作者，黄懿梅教授和水土保持研究所安韶山研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（41877074和 42077072）等项目的联合资助。

研究表明，CO2固定速率随降水增加而增加，标志固碳类群和主要的CO2固定途径随降水梯度变化显著。在400 - 600 mm的年平均降水(MAP)条件下，还原柠檬酸循环（rTCA cycle）和3-羟基丙酸循环（3-HP cycle）主导微生物CO2固定过程，在< 400 mm MAP条件下，卡尔文循环（Calvin cycle）为主导（图1）。

图 1 固碳微生物固定CO2贡献于土壤有机碳的过程框架图

在MAP驱动下，CO2固定途径中的关键基因丰度变化促进了土壤微生物C积累（图2）。如参与rTCA循环、3-HP循环的KorA/B、nifJ、sdhA、accC/A/D基因的相对丰度随降水梯度的增加而增加，而与Calvin循环相关的prkB、rbcL基因丰度呈现相反趋势。这些关键基因与固碳量的关系表现出与整体途径一致的规律，表明微生物在CO2固定代谢途径中特异基因（如cbbL、KorA/B）的丰度为观察到的大气CO2固定提供了良好的证据。

图 2 优势固碳途径、碳固定基因和固碳量（13Csoc）的关系

偏最小二乘路径模型分析表明，73%的13Csoc量变化可由所选的土壤养分、群落结构和代谢途径的基因丰度解释（图3）。影响固碳微生物群落（CFMs）固定CO2的过程主要有两个：1）年平均降水量（MAP）通过改变土壤养分影响CFMs群落组成，进而影响CO2固定；2） MAP对与C固定相关的代谢通路的丰度有直接的正向影响。综上所述，微生物CO2固定是半干旱草地土壤C积累的重要过程，固碳微生物代谢途径决定了固碳速率的大小，研究结果为认识和评价土壤的“碳汇”功能、调控和增加土壤有机碳封存以缓解全球气候变化提供了新见解。

图 3 影响固碳微生物固定CO2的因素

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722002218