土壤有机碳的微生物分解，是陆地碳循环的关键过程。气候变暖会加速土壤微生物分解有机碳，释放更多的CO2进入大气，从而进一步加剧气候变暖。土壤有机碳分解释放CO2的土壤异养呼吸，是地球系统模式对碳-气候反馈大小的预测产生不确定性的主要因素。土壤微生物通过控制有机碳分解，在全球碳循环中起着至关重要的作用。因此，发展以微生物过程为基础的土壤有机碳分解模型（简称微生物模型），是发展地球系统模式、开展碳循环及其与气候之间相互作用的研究和预测未来气候变化的科学需求，成为当前亟需解决的科学前沿问题。
大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）张霞副研究员及其合作者，研发了高时空分辨率的微生物模型（MESDM）, 这个模型描述了有机碳分解的主要过程、微生物休眠和激活过程以及不同生理状态的不同生理过程（图1），实现了与陆面过程模式的耦合，并应用于模拟验证。结果表明，新陆面过程模式成功地模拟了半干旱区夏季风降水引发的地表CO2通量爆发式增长（图 2），显著地提高了对净生态系统交换（NEE）的模拟精度（图3）。这些研究，将会促进微生物模型在地球系统模式中应用和发展，为研究陆地碳循环、碳-气候反馈以及预测未来气候变化提供新的视角和有效的工具，也为国家制定合理的碳排放政策、应对未来气候变化提供科学支撑。相关研究成果发表于《Geophysical Research Letters》《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》。
图 1.微生物模型结构示意图。
图 2.在Santa Rita站，原有的Noah-MP模式模拟的2007年每半小时的土壤表面CO2通量（a）与耦合微生物模型MESDM的Noah-MP模式模拟的每半小时的土壤表面CO2通量（b）、2厘米（c）和10厘米（d）深土壤CO2浓度；ME为模式效率（1代表完美模型）， RMSE为均方根误差，R为相关系数。
图 3. 在Santa Rita站，原有的Noah-MP模式（a）和耦合微生物模型MESDM的Noah-MP模式（b）分别模拟的2007年每半小时的净生态系统交换量（NEE）；ME、RMSE和R同图2。
Zhang Xia, Xie Zhenghui, Ma Zhuguo, Greg A. Barron-Gafford, Russel L. Scott,, & Niu Guo-Yue. (2022). A microbial-explicit soil organic carbon decomposition model (MESDM): Development and testing at a semiarid grassland site. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 14, e2021MS002485. https://doi.org/10.1029/2021MS002485
Zhang Xia, Niu Guo-Yue, Ahmed S. Elshall, Ye Ming, Greg A. Barron-Gafford, & Mitch Pavao-Zuckerman (2014), Assessing five evolving microbial enzyme models against field measurements from a semiarid savannah—What are the mechanisms of soil respiration pulses?, Geophysical Research Letters, 41, 6428–6434, https://doi.org/10.1002/2014GL061399
