土壤自养固碳微生物研究进展与热点分析

张亚茹，申振涛，吴小红，廖清颖

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南长沙 410004）

与高等植物类似，自养微生物也具有吸收大气中二氧化碳（CO2）并将其转化为有机碳的能力，是土壤有机碳输入的重要途径之一。自养微生物主要通过卡尔文循环、厌氧乙酰辅酶A途径、还原性三羧酸循环途径、3-羟基丙酸途径、3-羟基丙酮/4-羟基丁酸循环途径和琥珀酰辅酶A途径等固定大气中的CO2。在已发现的6条固碳途径中[1-2]，卡尔文循环是自养微生物固定CO2的主要途径，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶（RuBisCO）是卡尔文循环中的关键固碳酶，主要由cbbL基因编码[3]。已有研究发现，自养微生物具有很强的环境适应能力，不仅参与农田、草地、森林和湿地等生境中的CO2同化，在火山、荒漠等植物无法生存的生境中也发挥重要的CO2同化功能，对调节大气中CO2浓度和增加土壤碳固定有重要意义[4]。通过传统分离培养、突变和工程改造等方法，一些具有较高固碳能力的微生物被发现，如古细菌、蓝细菌和光合细菌等[5]。采用稳定同位素标记技术和分子生物学技术，可量化土壤自养微生物的固碳潜力及其影响因素，越来越多具有潜在生物固碳能力的自养微生物被识别，对自养微生物在土壤有机碳形成和转化中作用的认识也不断加深。本研究以Web of Science（WOS）核心合集数据库为数据源，采用VOSviewer 软件进行信息挖掘，对土壤固碳自养微生物相关研究进行可视化知识图谱分析，梳理土壤固碳自养微生物研究的现状与发展历程，归纳其研究核心和热点，系统分析其研究态势，以期为未来土壤固碳自养微生物研究工作的开展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

WOS 核心合集数据库收录了全球范围内高质量且具有较高学术价值的文献[6]。本研究可视化分析的文献数据来自WOS 核心合集数据库。检索策略为“（TS（主题）=（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）”，文献类型设定为“Article”，时间范围为1991 年1 月1 日—2023 年6 月1日，索引为Science Citation Index Expanded（SCI-E）数据库。经过检索，获得文献2 847 篇，并以“全记录和引用的参考文献”的形式导出纯文本文件。为聚焦土壤自养固碳微生物研究态势分析，剔除重复文献、发刊词和寄语等不相关的文献及会议记录、新闻等非学术性论文，最终以符合要求的400 篇文献作为数据分析样本，用于文献计量分析。

1.2 研究方法

采用Excel 2019 软件，对年度发文量、文献总被引频次和篇均被引频次、发文量排名前10的学者和研究机构、发文量排名前10的期刊及其影响因子等信息进行统计分析；将数据导入可视化分析软件VOSviewer，对学者合作、国家合作、关键词共现和关键词演变趋势进行可视化分析（图1）。VOSviewer软件是基于Java 的文献计量可视化分析软件，由荷兰莱顿大学的Nees Jan van Eck 和Ludo Waltman 开发，基于数学、统计学和文献学等文献计量分析方法，定量和综合分析文献的特征数量联系和动态演进规律，分析信息知识单位的相似性和测度，绘制不同主题的科学知识图谱[7]。

图1 研究框架Fig.1 Research framework

2 结果与分析

2.1 土壤自养固碳微生物研究发展特征

从发文量来看，该研究大致可分为4个阶段（图2）。1991—2004 年为早期萌芽阶段；学者们更多关注植物光合作用固碳过程，对土壤自养微生物及其固碳功能关注较少，发文量较少。2005—2015 年为持续探索阶段；随着对土壤自养微生物固碳功能认识的加深，发文量总体呈缓慢上升趋势；研究主要集中在土壤自养固碳微生物的多样性、固碳关键酶（RuBisCO）活性及其在调节大气中CO2浓度和增加土壤碳固定中的作用等方面。2016—2017 年为短暂下降阶段；运用宏基因组学和代谢组学等研究手段从分子层面深入揭示土壤自养微生物固碳过程的基因表达和功能信息仍处于探索中，发文量出现短暂下降。2018—2022 年为快速增长阶段；随着国家生态文明建设步伐加快和“双碳”战略的实施，土壤自养微生物固碳机制和调控因素研究进一步开展，发文量连年增加。篇均被引频次和总被引频次数据表明，土壤自养固碳微生物研究文献中的观点被认可的程度呈上升趋势。

图2 1991—2023年发文量和被引频次变化趋势Fig.2 Change trends of number of publications and citation frequency from 1991 to 2023

2.2 土壤自养固碳微生物研究学者合作网络关系

采用VOSviewer 软件对国内外文献数据进行学者合作网络分析，梳理合作网络关系，挖掘核心作者群。采用普赖斯公式［N=0.749(Nmax)1/2］[8]计算，发文量≥3（N=2.901）篇的学者可被认为是核心作者。Ge Tida（葛体达）、Wu Jinshui（吴金水）和Zhou Jizhong（周集中）的发文量和权重链接总强度均较高，是土壤自养固碳微生物研究的核心作者，且形成了各自的核心关系群（表1）。图3展示土壤自养固碳微生物研究的2 161名作者及其合作关系；节点代表作者，其大小反映作者发文量的多少；节点连线代表作者间的合作关系。Ge Tida（葛体达）合作关系群最大，与多个高权重、高发文量作者存在紧密合作关系，包括Yuan Hongzhao（袁红朝）、Wu Jinshui（吴金水）和Wu Xiaohong（吴小红）等。该研究已形成联系紧密的核心作者群，为土壤自养固碳微生物的深入研究汇集了重要力量。

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

图3 学者合作共现网络Fig.3 Author cooperation co-occurrence network

2.3 土壤自养固碳微生物研究机构发文特征

中国科学院发文量最多，其次为中国科学院大学、中华人民共和国农业农村部、美国能源部和赫尔姆霍兹联合会，国内重点高校和科研院所为该研究领域的核心力量（表2）。中国科学院发文的总被引频次最高，加利福尼亚大学系统发文的篇均被引频次最高，表明这两个机构的整体学术影响力较大，是非常重要的研究单位。研究机构所在国家主要为中国和美国；其中，中国科学院参与发表的文章数量和总被引频次均位居第1，相关研究成果丰硕。在篇均被引频次统计中，美国研究机构的总体数据高于德国、中国和澳大利亚，拥有较高的文章质量和影响力。研究机构整体呈现出机构内部合作紧密的状态，机构所在国家和地区、机构的科研水平及学科知识体系的关联程度等是开展合作的重要因素。从排名前5 的合作机构可以看出，基于地理邻近性的合作为主流合作方式。

表2 发文量排名前10的研究机构Tab.2 Top 10 research institutions in number of publications

1991—2023 年，数据库收录的土壤自养固碳微生物研究文献来源于153 种期刊。其中，Frontiers in Microbiology 发文量最多（24 篇），占文献总数的6.00%，为该研究领域的主要期刊来源（表3）。Applied and Environmental Microbiology 发文的总被引频次和篇均被引频次均较高，为该研究领域的顶级期刊。Global Change Biology 的影响因子最高（13.211），但其关于土壤自养固碳微生物研究的发文量较少，仅占文献总数的2.25%。

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

2.4 土壤自养固碳微生物研究国家和地区发文特征

中国以高发文量（186 篇）成为最显著的节点（图4）。VOSviewer 软件以节点大小表示重要程度和影响力；中国、美国、德国、澳大利亚和英国为土壤自养固碳微生物研究影响力较大的国家，贡献突出。统计各国家和地区在该研究领域的发文量；颜色越接近红色表示发文量越多，越接近蓝色表示发文量越少（图5）。中国、美国、德国、澳大利亚和英国等高影响力国家的发文量分别为186、100、52、34和26，主要研究主题为土壤科学（Soil science）、生物工程（Bioengineering）、林业（Forestry）和植物病理学（Plant pathology）。

图4 国家合作共现网络Fig.4 Country cooperation co-occurrence network

图5 发文量全球分布及排名前5国家的主要研究主题Fig.5 Global distributions of number of publications and main research topics of top 5 countries

中国的发文量位居第1，发展迅猛，成果丰富；土壤自养固碳微生物研究的核心力量分布在欧洲、北美等地区，形成以美国为首的北美地区核心研究国家；欧洲国家和地区间合作较密切，英国、德国等国家是推动土壤自养固碳微生物研究进步的核心力量；澳大利亚代表大洋洲的核心研究力量。研究贡献和影响力排名靠前的国家共同构成该研究领域的前沿科研国家，应继续加强开创性研究和交流合作。

2.5 土壤自养固碳微生物研究关键词共现分析

关键词是对文章研究内容的高度概括。检索结果中，共出现2 547 个关键词；为避免可视化分析结果过于稀疏或复杂，结合软件默认最优设置，将关键词阈值设定为5，出现频次不低于5 的关键词共有165个。出现频次排名前20的关键词出现频次均在28 次以上，权重链接总强度也位居前列，表明这些关键词在土壤自养固碳微生物研究中备受关注（表4）。土壤自养固碳微生物研究的关键词间连线紧密，产生多个词频高且影响力大的节点，表现出研究热点间联系密切的趋势，核心节点备受学者关注（图6）。目前，对于土壤自养固碳微生物的研究侧重于土壤自养微生物分类和分子机制等；作为土壤有机质输入的重要途径之一，土壤自养微生物固碳潜力及其固碳过程的调控机制也是当前研究的重点。

表4 出现频次排名前20的关键词Tab.4 Top 20 key words in occurrence frequency

图6 关键词共现网络Fig.6 Key word co-occurrence network

多样性（Diversity）、土壤有机质（Soil organic matter）、土壤（Soil）、微生物群落（Microbial communities）和碳封存（Carbon sequestration）等高频关键词包含了土壤自养固碳微生物研究的核心内容，涉及参与固碳过程的自养微生物类群及其固碳潜力等，占据主导地位；其他高频关键词相对分散。

共获得5 个聚类簇，聚类1（红色）中包含土壤（Soil）、细菌（Bacteria）、基因（Genes）、固定（Fixation）和生物结皮（Biocrusts）等关键词，主要探讨土壤自养微生物固碳功能对生物结皮中微生物群落及其功能的影响[9]（图6，表5）。生物结皮中的自养微生物可以向土壤中输入有机碳[10]，且自养微生物输入的有机碳驱动生物结皮中细菌和真菌的代谢过程及土壤养分转化，对生物结皮的形成和发展发挥重要作用[11]。聚类2（绿色）中包含土壤有机质（Soil organic matter）、碳（Carbon）、二氧化碳（CO2）、氮（Nitrogen）和气候变化（Climate change）等关键词，主要探讨全球气候变化和氮沉降对土壤自养微生物固碳过程的影响机制[12]。有研究显示，CO2浓度升高影响土壤自养微生物组成及其固碳潜力[13]，但由于土壤的复杂性，不同土壤中自养微生物固碳速率对CO2浓度升高和氮沉降的响应不一致。聚类3（蓝色）中包含多样性（Diversity）、碳封存（Carbon sequestration）、二氧化碳固定（CO2fixation）、RuBisCO 和丰度（Abundance）等关键词，主要探讨参与土壤CO2同化过程的自养微生物及其固碳过程的调控机制。Ge Tida（葛体达）及其团队利用碳同位素技术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编码基因的定量PCR 分析，发现cbbL基因丰度与RuBisCO 和土壤同化碳含量均呈显著正相关，明确了土壤自养微生物的碳同化功能[14-16]；结合克隆文库测序等分子生物学技术，该研究团队识别出参与大气CO2同化过程的微生物主要为生脂固氮螺菌（Azospirillumlipoferum）、沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）、日本慢根瘤菌（Bradyrhizobiumjaponicum）、真养罗尔斯顿菌（Ralstoniaeutropha）及黄绿藻属（Xanthophyta）和硅藻门（Bacillariophyta）[17]。进一步研究发现，这些自养微生物的群落组成和固碳速率易受光照、pH值和施肥等因素调控[18-20]。宏基因组学和稳定同位素探针（Stable Isotope Probing，SIP）等分子生态学技术的发展，为深入探索土壤自养微生物固碳分子调控机制提供了新的技术手段。采用DNA-SIP 技术，钱明媚[21]研究免耕水稻土中自养微生物的多样性，发现伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）、根瘤菌目（Rhizobiales）和红螺菌目（Rhodospirillales）是参与固碳过程的优势目。聚类4（黄色）中包含微生物群落（Microbial communities）、微生物量（Microbial biomass）、生长（Growth）、酶活性（Enzyme-activities）和稻田（Paddy）等关键词。基于基因芯片和基因组测序等分析手段[21-22]，结合微生物生长生理指标和酶活性测定，越来越多具有潜在生物固碳能力的自养微生物被发现，这些微生物如何利用其他能量代谢途径获取能量来维持生物固碳功能尚未被清晰阐述。聚类5（紫色）中包含土地利用（Land use）、水稻（Rice）、沙漠（Desert）、提取方法（Extraction method）和温室气体（Greenhouse gases）等关键词，主要探讨沙漠这一特殊生境中土壤自养微生物多样性、固碳关键酶活性及其固碳能力。不合理的土地利用方式会减少土壤碳固持[23]，加速温室气体排放，土地利用方式变化对土壤自养微生物多样性及其固碳过程的影响受到广泛关注[24]。以上5 个聚类簇共同构成土壤自养固碳微生物研究的热点。

表5 关键词聚类分析Tab.5 Cluster analysis on key words

2.6 土壤自养固碳微生物研究热点演变

热点关键词的变化可反映出该领域研究重心的变化。根据关键词演变趋势图，可将土壤自养固碳微生物研究热点划分为4 个时段（图7）。1991—2011 年的热点关键词为脱氧核糖核酸（DNA）、流动（Turnover）、多年生黑麦草（Loliumperenne）和全球变化（Global change）。在全球气候变化背景下，土壤自养微生物同化大气中CO2的功能逐渐受到关注，其固碳功能在减缓气候变暖中的重要性逐渐被认识。为识别具有碳同化功能的微生物，研究人员采用传统的分离培养方法，从农田和沿海贫瘠盐碱土中发现了一些新的具有CO2同化功能的化能自养菌株[25]。由于环境中85%～99%的微生物不能被分离鉴定，参与土壤CO2同化过程的微生物大多难以被识别。

图7 关键词演变趋势Fig.7 Evolution trends of key words

2012—2015年的热点关键词为细菌（Bacteria）、微生物量碳（Microbial biomass）、土壤（Soil）、新陈代谢（Metaboliam）和二氧化碳浓度升高（Elevated CO2）等14 个关键词。随着PCR（Polymerase Chain Reaction）技术应用领域的拓宽，利用特异性引物扩增DNA 序列某些基因（如cbbL）成为可能，有关土壤自养微生物多样性和群落组成的研究逐渐受到关注。研究人员利用克隆文库测序、末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）和RuBisCO 基因（cbbL）的定量PCR（qPCR）对土壤中固定CO2的细菌和藻类的多样性和丰度进行研究，发现具有固碳功能的自养微生物种类繁多，数量巨大，在土壤中分布广泛[26]。随着基因芯片和基因组测序等分子生物学分析手段的进一步发展，土壤自养微生物群落功能多样性、组成、结构和代谢潜力的研究不断涌现，具有潜在生物固碳能力的土壤自养微生物不断被识别。

2016—2019 年的热点关键词为微生物群落（Microbial communities）、丰度（Abundance）、碳封存（Carbon sequestration）、二氧化碳固定（CO2fixation）和cbbL等19个关键词。研究人员探讨农田、草地和生物结皮等生境中土壤自养微生物群落特征及其碳同化功能，分析土壤自养微生物同化碳输入对土壤有机碳转化和稳定性的影响，阐明土壤自养微生物碳同化过程在土壤碳循环中的重要作用[27]。

2020—2023 年的热点关键词为温室气体（Greenhouse gases）、细菌的（Bacterial）等10 个关键词。由于土壤自养微生物在调节大气中CO2浓度、缓解全球性气候变暖方面具有巨大潜力，研究人员开始深入探究土壤自养微生物固碳过程的调控机制，解析施肥、生物炭和耕作等管理措施及土地利用变化等对土壤自养微生物群落及其固碳潜力的影响，为采取有效调控措施提高土壤固碳潜力提供了丰富的数据支撑和理论依据[28]。

3 结论与展望

土壤自养固碳微生物研究发展的阶段特征明显，可被划分为4 个阶段，分别为1991—2004 年的早期萌芽阶段、2005—2015 年的持续探索阶段、2016—2017 年的短暂下降阶段和2018—2022 年的快速增长阶段。

该研究已形成坚实的理论基础和研究团队。以Ge Tida（葛体达）、Wu Jinshui（吴金水）和Zhou Jizhong（周集中）等为核心的合作团队形成联系紧密的核心作者群；中国科学院、中国科学院大学、中华人民共和国农业农村部、美国能源部和赫尔姆霍兹联合会为高贡献科研机构；中国、美国、英国、德国和澳大利亚为影响力较大的国家；Ge Tida（葛体达）、Wu Jinshui（吴金水）和Zhou Jizhong（周集中）等学者的文献成为该研究的重要理论基础。

土壤自养固碳微生物研究从基础科学探索逐渐转向应用与实践。早期研究较多关注土壤自养微生物固碳的基本机制和影响因素，近期的研究更加关注土壤自养微生物在调节中大气CO2浓度和减缓全球气候变暖等方面的应用潜力。这些研究成果为理解和利用自养微生物固碳功能应对全球气候变化提供了重要的科学依据和技术支持。

土壤自养微生物作为土壤微生物群落的重要组成部分，在土壤固碳过程中发挥着重要作用。国内外学者从不同角度对土壤自养微生物群落及其固碳的分子生态学机制进行探索；但依据文献计量和综合分析，目前该研究仍存在不足，未来可侧重从以下几个方面开展研究。

（1）目前，有关固碳途径及其分子机制的研究主要集中在卡尔文循环，其他固碳途径中相关酶和基因的研究仍不完善。未来可探究不同自养固碳途径对固碳的相对贡献及固定下来的有机碳的流向，揭示土壤自养微生物固定的碳在土壤中的转化和稳定机制。

（2）随着分子生物学技术不断发展，大量具有潜在生物固碳能力的自养微生物被发现，但环境中仍存在大量无法分离和培养的微生物。未来可利用微生物高通量筛选技术筛选适应能力强、固碳效率高的土壤自养微生物，并结合宏基因组、蛋白组和代谢组等组学技术，进一步探索土壤自养微生物的生存策略和代谢机理，进而揭示土壤自养微生物高效固碳的生物学机制。

（3）土壤是一个复杂体系，微生物种类繁多，不同微生物间存在紧密联系，已有研究大多关注自养微生物本身，忽略自养微生物与其他微生物间的联系，对于土壤自养微生物与其他微生物如何形成共生群落来提升固碳功能的认知有限。未来可利用稳定同位素探针技术、组学技术和微生物网络分析等，揭示土壤其他微生物协同调控自养微生物同化CO2、增加土壤有机碳的机制。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：张亚茹负责数据收集与分析、软件操作和论文撰写与修改；申振涛负责软件操作和可视化分析；吴小红负责研究方法设计和论文审阅与修改；廖清颖负责数据收集与分析和文献检索。