土壤自養固碳微生物研究進展與熱點分析

張亞茹，申振濤，吳小紅，廖清穎

（中南林業科技大學 生命科學與技術學院，湖南長沙 410004）

與高等植物類似，自養微生物也具有吸收大氣中二氧化碳（CO2）并將其轉化為有機碳的能力，是土壤有機碳輸入的重要途徑之一。自養微生物主要通過卡爾文循環、厭氧乙酰輔酶A途徑、還原性三羧酸循環途徑、3-羥基丙酸途徑、3-羥基丙酮/4-羥基丁酸循環途徑和琥珀酰輔酶A途徑等固定大氣中的CO2。在已發現的6條固碳途徑中[1-2]，卡爾文循環是自養微生物固定CO2的主要途徑，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶（RuBisCO）是卡爾文循環中的關鍵固碳酶，主要由cbbL基因編碼[3]。已有研究發現，自養微生物具有很強的環境適應能力，不僅參與農田、草地、森林和濕地等生境中的CO2同化，在火山、荒漠等植物無法生存的生境中也發揮重要的CO2同化功能，對調節大氣中CO2濃度和增加土壤碳固定有重要意義[4]。通過傳統分離培養、突變和工程改造等方法，一些具有較高固碳能力的微生物被發現，如古細菌、藍細菌和光合細菌等[5]。采用穩定同位素標記技術和分子生物學技術，可量化土壤自養微生物的固碳潛力及其影響因素，越來越多具有潛在生物固碳能力的自養微生物被識別，對自養微生物在土壤有機碳形成和轉化中作用的認識也不斷加深。本研究以Web of Science（WOS）核心合集數據庫為數據源，采用VOSviewer 軟件進行信息挖掘，對土壤固碳自養微生物相關研究進行可視化知識圖譜分析，梳理土壤固碳自養微生物研究的現狀與發展歷程，歸納其研究核心和熱點，系統分析其研究態勢，以期為未來土壤固碳自養微生物研究工作的開展提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

WOS 核心合集數據庫收錄了全球范圍內高質量且具有較高學術價值的文獻[6]。本研究可視化分析的文獻數據來自WOS 核心合集數據庫。檢索策略為“（TS（主題）=（carbon fixing or carbon fixation or carbon fixer) or TS=（CO2fixing or CO2fixation or CO2fixer）or TS=（cbbLorcbbMor carbon fixation gene or RuBisCO or photoautorophic or chemoautotrophic））AND TS=（soil）AND TS=（bacteria or microbe or microbial or microorganism）”，文獻類型設定為“Article”，時間范圍為1991 年1 月1 日—2023 年6 月1日，索引為Science Citation Index Expanded（SCI-E）數據庫。經過檢索，獲得文獻2 847 篇，并以“全記錄和引用的參考文獻”的形式導出純文本文件。為聚焦土壤自養固碳微生物研究態勢分析，剔除重復文獻、發刊詞和寄語等不相關的文獻及會議記錄、新聞等非學術性論文，最終以符合要求的400 篇文獻作為數據分析樣本，用于文獻計量分析。

1.2 研究方法

采用Excel 2019 軟件，對年度發文量、文獻總被引頻次和篇均被引頻次、發文量排名前10的學者和研究機構、發文量排名前10的期刊及其影響因子等信息進行統計分析；將數據導入可視化分析軟件VOSviewer，對學者合作、國家合作、關鍵詞共現和關鍵詞演變趨勢進行可視化分析（圖1）。VOSviewer軟件是基于Java 的文獻計量可視化分析軟件，由荷蘭萊頓大學的Nees Jan van Eck 和Ludo Waltman 開發，基于數學、統計學和文獻學等文獻計量分析方法，定量和綜合分析文獻的特征數量聯系和動態演進規律，分析信息知識單位的相似性和測度，繪制不同主題的科學知識圖譜[7]。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

2 結果與分析

2.1 土壤自養固碳微生物研究發展特征

從發文量來看，該研究大致可分為4個階段（圖2）。1991—2004 年為早期萌芽階段；學者們更多關注植物光合作用固碳過程，對土壤自養微生物及其固碳功能關注較少，發文量較少。2005—2015 年為持續探索階段；隨著對土壤自養微生物固碳功能認識的加深，發文量總體呈緩慢上升趨勢；研究主要集中在土壤自養固碳微生物的多樣性、固碳關鍵酶（RuBisCO）活性及其在調節大氣中CO2濃度和增加土壤碳固定中的作用等方面。2016—2017 年為短暫下降階段；運用宏基因組學和代謝組學等研究手段從分子層面深入揭示土壤自養微生物固碳過程的基因表達和功能信息仍處于探索中，發文量出現短暫下降。2018—2022 年為快速增長階段；隨著國家生態文明建設步伐加快和“雙碳”戰略的實施，土壤自養微生物固碳機制和調控因素研究進一步開展，發文量連年增加。篇均被引頻次和總被引頻次數據表明，土壤自養固碳微生物研究文獻中的觀點被認可的程度呈上升趨勢。

圖2 1991—2023年發文量和被引頻次變化趨勢Fig.2 Change trends of number of publications and citation frequency from 1991 to 2023

2.2 土壤自養固碳微生物研究學者合作網絡關系

采用VOSviewer 軟件對國內外文獻數據進行學者合作網絡分析，梳理合作網絡關系，挖掘核心作者群。采用普賴斯公式［N=0.749(Nmax)1/2］[8]計算，發文量≥3（N=2.901）篇的學者可被認為是核心作者。Ge Tida（葛體達）、Wu Jinshui（吳金水）和Zhou Jizhong（周集中）的發文量和權重鏈接總強度均較高，是土壤自養固碳微生物研究的核心作者，且形成了各自的核心關系群（表1）。圖3展示土壤自養固碳微生物研究的2 161名作者及其合作關系；節點代表作者，其大小反映作者發文量的多少；節點連線代表作者間的合作關系。Ge Tida（葛體達）合作關系群最大，與多個高權重、高發文量作者存在緊密合作關系，包括Yuan Hongzhao（袁紅朝）、Wu Jinshui（吳金水）和Wu Xiaohong（吳小紅）等。該研究已形成聯系緊密的核心作者群，為土壤自養固碳微生物的深入研究匯集了重要力量。

表1 發文量排名前10的作者Tab.1 Top 10 authors in number of publications

圖3 學者合作共現網絡Fig.3 Author cooperation co-occurrence network

2.3 土壤自養固碳微生物研究機構發文特征

中國科學院發文量最多，其次為中國科學院大學、中華人民共和國農業農村部、美國能源部和赫爾姆霍茲聯合會，國內重點高校和科研院所為該研究領域的核心力量（表2）。中國科學院發文的總被引頻次最高，加利福尼亞大學系統發文的篇均被引頻次最高，表明這兩個機構的整體學術影響力較大，是非常重要的研究單位。研究機構所在國家主要為中國和美國；其中，中國科學院參與發表的文章數量和總被引頻次均位居第1，相關研究成果豐碩。在篇均被引頻次統計中，美國研究機構的總體數據高于德國、中國和澳大利亞，擁有較高的文章質量和影響力。研究機構整體呈現出機構內部合作緊密的狀態，機構所在國家和地區、機構的科研水平及學科知識體系的關聯程度等是開展合作的重要因素。從排名前5 的合作機構可以看出，基于地理鄰近性的合作為主流合作方式。

表2 發文量排名前10的研究機構Tab.2 Top 10 research institutions in number of publications

1991—2023 年，數據庫收錄的土壤自養固碳微生物研究文獻來源于153 種期刊。其中，Frontiers in Microbiology 發文量最多（24 篇），占文獻總數的6.00%，為該研究領域的主要期刊來源（表3）。Applied and Environmental Microbiology 發文的總被引頻次和篇均被引頻次均較高，為該研究領域的頂級期刊。Global Change Biology 的影響因子最高（13.211），但其關于土壤自養固碳微生物研究的發文量較少，僅占文獻總數的2.25%。

表3 發文量排名前10的期刊及其影響因子Tab.3 Top 10 journals in number of publications and impact factors

2.4 土壤自養固碳微生物研究國家和地區發文特征

中國以高發文量（186 篇）成為最顯著的節點（圖4）。VOSviewer 軟件以節點大小表示重要程度和影響力；中國、美國、德國、澳大利亞和英國為土壤自養固碳微生物研究影響力較大的國家，貢獻突出。統計各國家和地區在該研究領域的發文量；顏色越接近紅色表示發文量越多，越接近藍色表示發文量越少（圖5）。中國、美國、德國、澳大利亞和英國等高影響力國家的發文量分別為186、100、52、34和26，主要研究主題為土壤科學（Soil science）、生物工程（Bioengineering）、林業（Forestry）和植物病理學（Plant pathology）。

圖4 國家合作共現網絡Fig.4 Country cooperation co-occurrence network

圖5 發文量全球分布及排名前5國家的主要研究主題Fig.5 Global distributions of number of publications and main research topics of top 5 countries

中國的發文量位居第1，發展迅猛，成果豐富；土壤自養固碳微生物研究的核心力量分布在歐洲、北美等地區，形成以美國為首的北美地區核心研究國家；歐洲國家和地區間合作較密切，英國、德國等國家是推動土壤自養固碳微生物研究進步的核心力量；澳大利亞代表大洋洲的核心研究力量。研究貢獻和影響力排名靠前的國家共同構成該研究領域的前沿科研國家，應繼續加強開創性研究和交流合作。

2.5 土壤自養固碳微生物研究關鍵詞共現分析

關鍵詞是對文章研究內容的高度概括。檢索結果中，共出現2 547 個關鍵詞；為避免可視化分析結果過于稀疏或復雜，結合軟件默認最優設置，將關鍵詞閾值設定為5，出現頻次不低于5 的關鍵詞共有165個。出現頻次排名前20的關鍵詞出現頻次均在28 次以上，權重鏈接總強度也位居前列，表明這些關鍵詞在土壤自養固碳微生物研究中備受關注（表4）。土壤自養固碳微生物研究的關鍵詞間連線緊密，產生多個詞頻高且影響力大的節點，表現出研究熱點間聯系密切的趨勢，核心節點備受學者關注（圖6）。目前，對于土壤自養固碳微生物的研究側重于土壤自養微生物分類和分子機制等；作為土壤有機質輸入的重要途徑之一，土壤自養微生物固碳潛力及其固碳過程的調控機制也是當前研究的重點。

表4 出現頻次排名前20的關鍵詞Tab.4 Top 20 key words in occurrence frequency

圖6 關鍵詞共現網絡Fig.6 Key word co-occurrence network

多樣性（Diversity）、土壤有機質（Soil organic matter）、土壤（Soil）、微生物群落（Microbial communities）和碳封存（Carbon sequestration）等高頻關鍵詞包含了土壤自養固碳微生物研究的核心內容，涉及參與固碳過程的自養微生物類群及其固碳潛力等，占據主導地位；其他高頻關鍵詞相對分散。

共獲得5 個聚類簇，聚類1（紅色）中包含土壤（Soil）、細菌（Bacteria）、基因（Genes）、固定（Fixation）和生物結皮（Biocrusts）等關鍵詞，主要探討土壤自養微生物固碳功能對生物結皮中微生物群落及其功能的影響[9]（圖6，表5）。生物結皮中的自養微生物可以向土壤中輸入有機碳[10]，且自養微生物輸入的有機碳驅動生物結皮中細菌和真菌的代謝過程及土壤養分轉化，對生物結皮的形成和發展發揮重要作用[11]。聚類2（綠色）中包含土壤有機質（Soil organic matter）、碳（Carbon）、二氧化碳（CO2）、氮（Nitrogen）和氣候變化（Climate change）等關鍵詞，主要探討全球氣候變化和氮沉降對土壤自養微生物固碳過程的影響機制[12]。有研究顯示，CO2濃度升高影響土壤自養微生物組成及其固碳潛力[13]，但由于土壤的復雜性，不同土壤中自養微生物固碳速率對CO2濃度升高和氮沉降的響應不一致。聚類3（藍色）中包含多樣性（Diversity）、碳封存（Carbon sequestration）、二氧化碳固定（CO2fixation）、RuBisCO 和豐度（Abundance）等關鍵詞，主要探討參與土壤CO2同化過程的自養微生物及其固碳過程的調控機制。Ge Tida（葛體達）及其團隊利用碳同位素技術定量土壤微生物固碳速率（0.013 4～0.103 0 g·cm-2·d-1），基于cbbL編碼基因的定量PCR 分析，發現cbbL基因豐度與RuBisCO 和土壤同化碳含量均呈顯著正相關，明確了土壤自養微生物的碳同化功能[14-16]；結合克隆文庫測序等分子生物學技術，該研究團隊識別出參與大氣CO2同化過程的微生物主要為生脂固氮螺菌（Azospirillumlipoferum）、沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）、日本慢根瘤菌（Bradyrhizobiumjaponicum）、真養羅爾斯頓菌（Ralstoniaeutropha）及黃綠藻屬（Xanthophyta）和硅藻門（Bacillariophyta）[17]。進一步研究發現，這些自養微生物的群落組成和固碳速率易受光照、pH值和施肥等因素調控[18-20]。宏基因組學和穩定同位素探針（Stable Isotope Probing，SIP）等分子生態學技術的發展，為深入探索土壤自養微生物固碳分子調控機制提供了新的技術手段。采用DNA-SIP 技術，錢明媚[21]研究免耕水稻土中自養微生物的多樣性，發現伯克霍爾德氏菌目（Burkholderiales）、根瘤菌目（Rhizobiales）和紅螺菌目（Rhodospirillales）是參與固碳過程的優勢目。聚類4（黃色）中包含微生物群落（Microbial communities）、微生物量（Microbial biomass）、生長（Growth）、酶活性（Enzyme-activities）和稻田（Paddy）等關鍵詞。基于基因芯片和基因組測序等分析手段[21-22]，結合微生物生長生理指標和酶活性測定，越來越多具有潛在生物固碳能力的自養微生物被發現，這些微生物如何利用其他能量代謝途徑獲取能量來維持生物固碳功能尚未被清晰闡述。聚類5（紫色）中包含土地利用（Land use）、水稻（Rice）、沙漠（Desert）、提取方法（Extraction method）和溫室氣體（Greenhouse gases）等關鍵詞，主要探討沙漠這一特殊生境中土壤自養微生物多樣性、固碳關鍵酶活性及其固碳能力。不合理的土地利用方式會減少土壤碳固持[23]，加速溫室氣體排放，土地利用方式變化對土壤自養微生物多樣性及其固碳過程的影響受到廣泛關注[24]。以上5 個聚類簇共同構成土壤自養固碳微生物研究的熱點。

表5 關鍵詞聚類分析Tab.5 Cluster analysis on key words

2.6 土壤自養固碳微生物研究熱點演變

熱點關鍵詞的變化可反映出該領域研究重心的變化。根據關鍵詞演變趨勢圖，可將土壤自養固碳微生物研究熱點劃分為4 個時段（圖7）。1991—2011 年的熱點關鍵詞為脫氧核糖核酸（DNA）、流動（Turnover）、多年生黑麥草（Loliumperenne）和全球變化（Global change）。在全球氣候變化背景下，土壤自養微生物同化大氣中CO2的功能逐漸受到關注，其固碳功能在減緩氣候變暖中的重要性逐漸被認識。為識別具有碳同化功能的微生物，研究人員采用傳統的分離培養方法，從農田和沿海貧瘠鹽堿土中發現了一些新的具有CO2同化功能的化能自養菌株[25]。由于環境中85%～99%的微生物不能被分離鑒定，參與土壤CO2同化過程的微生物大多難以被識別。

圖7 關鍵詞演變趨勢Fig.7 Evolution trends of key words

2012—2015年的熱點關鍵詞為細菌（Bacteria）、微生物量碳（Microbial biomass）、土壤（Soil）、新陳代謝（Metaboliam）和二氧化碳濃度升高（Elevated CO2）等14 個關鍵詞。隨著PCR（Polymerase Chain Reaction）技術應用領域的拓寬，利用特異性引物擴增DNA 序列某些基因（如cbbL）成為可能，有關土壤自養微生物多樣性和群落組成的研究逐漸受到關注。研究人員利用克隆文庫測序、末端限制性片段長度多態性（T-RFLP）和RuBisCO 基因（cbbL）的定量PCR（qPCR）對土壤中固定CO2的細菌和藻類的多樣性和豐度進行研究，發現具有固碳功能的自養微生物種類繁多，數量巨大，在土壤中分布廣泛[26]。隨著基因芯片和基因組測序等分子生物學分析手段的進一步發展，土壤自養微生物群落功能多樣性、組成、結構和代謝潛力的研究不斷涌現，具有潛在生物固碳能力的土壤自養微生物不斷被識別。

2016—2019 年的熱點關鍵詞為微生物群落（Microbial communities）、豐度（Abundance）、碳封存（Carbon sequestration）、二氧化碳固定（CO2fixation）和cbbL等19個關鍵詞。研究人員探討農田、草地和生物結皮等生境中土壤自養微生物群落特征及其碳同化功能，分析土壤自養微生物同化碳輸入對土壤有機碳轉化和穩定性的影響，闡明土壤自養微生物碳同化過程在土壤碳循環中的重要作用[27]。

2020—2023 年的熱點關鍵詞為溫室氣體（Greenhouse gases）、細菌的（Bacterial）等10 個關鍵詞。由于土壤自養微生物在調節大氣中CO2濃度、緩解全球性氣候變暖方面具有巨大潛力，研究人員開始深入探究土壤自養微生物固碳過程的調控機制，解析施肥、生物炭和耕作等管理措施及土地利用變化等對土壤自養微生物群落及其固碳潛力的影響，為采取有效調控措施提高土壤固碳潛力提供了豐富的數據支撐和理論依據[28]。

3 結論與展望

土壤自養固碳微生物研究發展的階段特征明顯，可被劃分為4 個階段，分別為1991—2004 年的早期萌芽階段、2005—2015 年的持續探索階段、2016—2017 年的短暫下降階段和2018—2022 年的快速增長階段。

該研究已形成堅實的理論基礎和研究團隊。以Ge Tida（葛體達）、Wu Jinshui（吳金水）和Zhou Jizhong（周集中）等為核心的合作團隊形成聯系緊密的核心作者群；中國科學院、中國科學院大學、中華人民共和國農業農村部、美國能源部和赫爾姆霍茲聯合會為高貢獻科研機構；中國、美國、英國、德國和澳大利亞為影響力較大的國家；Ge Tida（葛體達）、Wu Jinshui（吳金水）和Zhou Jizhong（周集中）等學者的文獻成為該研究的重要理論基礎。

土壤自養固碳微生物研究從基礎科學探索逐漸轉向應用與實踐。早期研究較多關注土壤自養微生物固碳的基本機制和影響因素，近期的研究更加關注土壤自養微生物在調節中大氣CO2濃度和減緩全球氣候變暖等方面的應用潛力。這些研究成果為理解和利用自養微生物固碳功能應對全球氣候變化提供了重要的科學依據和技術支持。

土壤自養微生物作為土壤微生物群落的重要組成部分，在土壤固碳過程中發揮著重要作用。國內外學者從不同角度對土壤自養微生物群落及其固碳的分子生態學機制進行探索；但依據文獻計量和綜合分析，目前該研究仍存在不足，未來可側重從以下幾個方面開展研究。

（1）目前，有關固碳途徑及其分子機制的研究主要集中在卡爾文循環，其他固碳途徑中相關酶和基因的研究仍不完善。未來可探究不同自養固碳途徑對固碳的相對貢獻及固定下來的有機碳的流向，揭示土壤自養微生物固定的碳在土壤中的轉化和穩定機制。

（2）隨著分子生物學技術不斷發展，大量具有潛在生物固碳能力的自養微生物被發現，但環境中仍存在大量無法分離和培養的微生物。未來可利用微生物高通量篩選技術篩選適應能力強、固碳效率高的土壤自養微生物，并結合宏基因組、蛋白組和代謝組等組學技術，進一步探索土壤自養微生物的生存策略和代謝機理，進而揭示土壤自養微生物高效固碳的生物學機制。

（3）土壤是一個復雜體系，微生物種類繁多，不同微生物間存在緊密聯系，已有研究大多關注自養微生物本身，忽略自養微生物與其他微生物間的聯系，對于土壤自養微生物與其他微生物如何形成共生群落來提升固碳功能的認知有限。未來可利用穩定同位素探針技術、組學技術和微生物網絡分析等，揭示土壤其他微生物協同調控自養微生物同化CO2、增加土壤有機碳的機制。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：張亞茹負責數據收集與分析、軟件操作和論文撰寫與修改；申振濤負責軟件操作和可視化分析；吳小紅負責研究方法設計和論文審閱與修改；廖清穎負責數據收集與分析和文獻檢索。