GCB|周小奇教授团队发表最新研究成果：耦合微生物功能基因丰度模型模拟未来气候变化下全球旱地土壤甲烷汇

        大气甲烷（CH4）是一种强效温室气体，在过去一个世纪贡献了全球约33%的温室效应。旱地土壤在全球CH4循环中发挥着汇的作用。现有模型估算，其年吸收量约占大气CH4年净增量的86%–167%。然而，这一估算存在高度不确定性。近日，华东师范大学生态与环境科学学院周小奇教授团队在国际顶级期刊Global Change Biology发表题为Microbial Functional Gene Abundance-Integrated Modeling of Global Methane Sinks in Upland Soils under Future Climate Change的研究论文，首次构建了整合甲烷氧化关键功能基因pmoA丰度的全球旱地土壤CH4汇模型（图1），为精准评估与预测全球土壤CH4汇提供了新方法。 

        研究团队整合了72项已发表文献中的698条土壤pmoA基因绝对丰度记录，构建了覆盖自然与人为生态系统的全球尺度数据集。然后，分析pmoA基因丰度与环境变量的关系，利用机器学习预测全球旱地土壤pmoA基因的空间分布。结果显示，pmoA基因丰度呈现显著的纬度梯度特征，在中纬度地区达到峰值后逐渐下降，其中中亚北部丰度最高，日本最低。在此基础上，团队在传统土壤甲烷氧化模型（Soil Methane Oxidation Model: MeMo）中整合功能基因丰度驱动机制，开发了FGA-MeMo（Functional Gene Abundance-Based Methanotrophy Model）模型。这一改进显著提升了模型模拟的准确性，尤其在北欧北方森林、中亚北部及非洲干旱区等关键区域表现优异，使全球旱地土壤甲烷汇估算值较传统模型增加了16–17 Tg CH4 yr-1。 

        基于FGA-MeMo模型的未来情景模拟揭示了气候变化下旱地土壤甲烷汇的非线性响应轨迹。在低排放情景下（SSP1-2.6），FGA-MeMo模型预测全球旱地土壤CH4汇将呈逐渐下降趋势，到2100年降至27.19 ± 0.15 Tg CH4 yr-1。且整个21世纪的估算值始终高于传统模型。在高排放情景下（SSP5-8.5），模型预测呈现出不同的变化轨迹：全球旱地土壤CH4汇首先增加，于2075年前后达到峰值71.27 ± 0.38 Tg CH4 yr-1，随后略有下降，至2100年为64.68 ± 0.35 Tg CH4 yr-1。纬度格局分析进一步表明，低纬度地区对全球甲烷汇的相对贡献将下降，而高纬度地区的贡献将持续上升，凸显了高纬度旱地土壤在未来气候变暖背景下日益重要的碳汇潜力。本研究强调，有必要将微生物群落水平的功能基因数据纳入地球系统模型，凸显了旱地土壤作为CH4汇在全球甲烷循环中日益重要的作用。 

图1：本研究整合了微生物功能基因数据、机器学习和过程模型，以提升对未来气候变化下全球旱地土壤甲烷（CH4）汇的预测能力。(a) 基于环境协变量预测 pmoA 基因丰度的工作流程；(b) 显示甲烷氧化菌热点区域的全球 pmoA 丰度分布图；(c) 由FGA-MeMo模拟的土壤CH4汇空间格局。该框架实现了从基因组尺度到生态系统尺度的跨尺度衔接，以量化气候变化背景下的陆地CH4汇。 本论文由华东师范大学生态与环境科学学院周小奇教授担任文章通讯作者，肖文胜博士为文章第一作者，华东师范大学为论文第一完成单位。

        论文合作作者包括华东师范大学博士生程莉、荷兰奈梅亨拉德堡德大学Paul L. E. Bodelier教授、武汉大学王纲胜教授、以及美国俄克拉荷马大学杨志峰博士和周集中教授。该研究工作得到国家自然科学基金项目（No. 32171635）等资助。 

原文链接：https://doi.org/10.1111/gcb.71026 

来源：生态与环境科学学院