自工业革命以来，人类活动加速化石燃料消耗与森林砍伐，导致大气组成显著变化，与之紧密相连的是气候变暖、海平面上升、生物多样性降低、极端气候频发等一系列全球变化。科学界越来越清晰地认识到，全可视化球气候变化可能对人类赖以生存的生态系统带来潜在的、难以预估的系统性风险，日益威胁人类社会自身的可持续发展。在陆地生态系统中，全球土壤有机碳作为地球系统中最大的活性碳库，其碳储量是大气的三到四倍；一些研究假设认为全球土壤可能在未来气候变化条件下吸收并储存更多的大气中的碳，进而起到气候变化减速器作用。阐明气候变化条件下土壤（特别是底层土壤）有机碳分解的微生物学机制，从理论上理清并估算土壤碳循环与气候变化之间的反馈效应对于更准确预测未来大气CO₂浓度及气候变化，以及人类如何应对全球气候变化具有重大的科学意义。
近年来，程磊教授实验室着力于研究微生物调控的土壤生态系统以及碳循环过程对气候变化的响应机制。在前期建立的微生物调控土壤碳循环对气候变化响应理论框架基础上(Cheng et al. Science 337:1084），实验室通过结合野外大田实验、理论建模、大数据整合以及微生物功能基因组学，揭示了底层土壤碳循环对气候变暖响应的微生物学机制（Cheng et al. ISME Journal11:1825），并进一步提出适时开展气候变化对深层乃至整层土壤影响的实验与理论研究的重要性，特别是在不同地点、不同生态系统的研究将有助于进一步在全球尺度上对土壤有机碳库的变化进行预测。但是，相关研究在理论和实验技术上均具有一定挑战性。新近，Hicks Pries 等在《科学》发表封面文章报道了人工增温条件下1m深度土壤CO₂产生（主要为微生物呼吸），并估算了所有土壤深度微生物呼吸的温度敏感性（Q₁₀值，即温度每上升10 ℃微生物呼吸上升的倍数）（Hicks Pries et al. Science355:1420）；进而在深层土壤对气候变化响应的研究上迈出了可喜一步。尽管如此，深层土壤CO₂产生对气候变化响应的理论基础与理论分析仍然值得进一步探讨。
以前期工作为基础（Cheng et al. ISME J 11:1825）并结合分析相关实验数据（Hicks Pries et al. Science 355:1420），程磊教授实验室就深层土壤对气候变化响应的理论基础和计算方法进行了深入探讨。第一，提出了深层土壤对气候变化响应的滞后效应（thermal lag）。由于全球气候系统处于动态变化之中，同时受土壤热传导率及土壤厚度等影响，导致底层土壤温度变化相对于表层土壤存在滞后效应。这一滞后效应的提出对于未来野外土壤升温实验有着重要的指导意义。第二，对Q₁₀的计算方法进行改进，提出通过一个广义线性模型来计算并分析深层土壤CO₂产生的温度敏感性；进而解决了由于实验观测数据变异所导致的温度敏感性计算大幅偏离理论值的困扰；这有助于更精确揭示深层土壤对气候变化的响应强度，对于气候变化模型将深层土壤纳入考虑以预测未来气候变化有着重要的指导意义。
该研究受到国家自然科学基金面上与优青项目（NSFC31670501、31422010、31370487）以及浙江自然科学基金****项目(LR14C030001)资助。研究成果于2018年2月23日在线发表于《Science》期刊。程磊教授实验室博士生肖璟为本文第一作者，研究生于方鉴、祝琬莹、徐陈超、张凯杭为共同作者。浙江大学生科院为第一作者和通讯作者单位。
论文网页链接: http://science.sciencemag.org/content/359/6378/eaao0218