固碳微生物是一類與植物相似將大氣CO2轉化為有機質的微生物。土壤微生物固碳功能的重要性最近幾年才逐漸被認識，但土壤固碳微生物群落特征、固碳潛力及其環境因子驅動機制尚未被認識。干旱半干旱生態系統約占全球陸地面積的41%，該生態系統植被生長受到包括土壤水分在內的多種環境因子限制，凸顯土壤微生物固碳的重要性。青藏高原屬寒冷型干旱半干旱生態系統（冷漠，年均溫低于零度），其低溫、干旱和強紫外等極端環境極大限制了草地植被固碳潛力，是生態脆弱帶和氣候變化放大器。
最近，中國科學院青藏高原研究所高寒生態重點實驗室研究員孔維棟課題組以青藏高原這一典型冷漠生態系統為例，采用微生物分子生態學和13CO2穩定同位素標記技術，深入研究了草地土壤固碳微生物群落特征及其固碳潛力。研究表明，荒漠草地和草原土壤固碳微生物數量遠低于草甸土壤，但其固碳潛力卻比草甸土壤高61%（圖1）。土壤微生物固碳量與地上植被生物量和土壤氨濃度顯著負相關，表明越貧瘠土壤中微生物固碳潛力越大，如荒漠草地。土壤固碳微生物數量隨年均降水量、地上植被生物量和土壤銨態氮濃度增加而顯著升高，但隨干旱度指數（1-AI）增加而降低（圖2）。采用結構方程模型耦合所有環境因子進一步分析表明，年均降水量可直接提高土壤固碳微生物數量，也可通過驅動地上植被生物量、土壤有機質和土壤養分而間接提高土壤固碳微生物數量（圖3）。不同草地類型，form IAB及IC類固碳微生物群落結構差異顯著；兩個固碳微生物類群的群落結構均由年均降水量及干旱度指數驅動（圖4）。
該研究量化了青藏高原草地土壤微生物的固碳潛力，闡明了氣候因子是驅動土壤固碳微生物數量、群落結構和固碳潛力的主控因子，從土壤碳循環過程和功能微生物類群角度證實了青藏高原草地冷漠生態系統對氣候變化敏感。此外，由于遙感技術目前不能捕捉土壤微生物固碳信號，故植被遙感會低估全球干旱半干旱生態系統土壤固碳潛力。因此，目前基于植被遙感技術測算的全球陸地碳儲量可能會被低估，從而加大地球系統模型評估土壤碳循環過程的不確定性和偏差。
該研究成果最近以Desert and steppe soils exhibit lower autotrophic microbial abundance but higher atmospheric CO2 fixation capacity than meadow soils 為題發表于Soil Biology and Biochemistry。該研究得到中科院先導專項、中科院地球科學前沿重點項目和國家自然科學基金委多個項目聯合資助。
圖1 青藏高原草地土壤中cbbL基因豐度（A）和土壤13CO2固定速率（B）
圖2 青藏高原草地土壤固碳微生物數量（以cbbL基因表示）與環境因子的相關性。
圖3 氣候、植物和土壤因子對青藏高原草地土壤微生物數量的直接及間接影響。
圖4 青藏高原草地土壤固碳微生物群落結構及其驅動因子。A：Form IAB類固碳微生物，B：form IC類固碳微生物。