應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)，土壤會(huì)有什么作為？

編譯 莫莊非

隨著人類活動(dòng)向大氣排放越來越多的二氧化碳，我們開始懷揣這樣一種希望：或許植物，這種大自然的碳洗滌器，能夠?qū)⒁恍┒嘤嗟奶即虬饋?，并將其埋在土壤下幾個(gè)世紀(jì)甚至更長時(shí)間。

這種希望促使我們推出了越來越雄心勃勃的旨在減緩氣候變化的計(jì)劃。例如，索爾克生物研究所的科學(xué)家希望對(duì)植物進(jìn)行生物工程改造，令其根部能快速產(chǎn)生大量富含碳的軟木塞狀物質(zhì)——木栓質(zhì)。他們認(rèn)為，即使植物死去，其木栓質(zhì)內(nèi)的碳也應(yīng)該可以埋藏?cái)?shù)百年。這個(gè)基于土壤的氣候危機(jī)解決方案便是索爾克植物治理計(jì)劃——利用植物倡議（HPI）的核心策略，其前景非常值得人們期待。

該計(jì)劃高度依賴能在地下持續(xù)數(shù)百年甚至數(shù)千年的大型、穩(wěn)定、富含碳的物質(zhì)——腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)長期以來一直都是土壤科學(xué)的基石，也是主要農(nóng)業(yè)實(shí)踐和復(fù)雜氣候模型的基礎(chǔ)。

但在過去10年，土壤科學(xué)經(jīng)歷了一場(chǎng)悄無聲息的革命，類似于物理學(xué)中的相對(duì)論或量子力學(xué)被推翻那般等級(jí)的革命。不過幾乎沒有人（包括許多希望土壤拯救氣候的人）聽說過它。用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的土壤科學(xué)家瑪格麗特·托恩（Margaret Torn）的話說，“即使很多對(duì)溫室氣體封存感興趣的人，也還沒跟上土壤革命的節(jié)奏”。

由現(xiàn)代顯微鏡和成像技術(shù)支持的新一代土壤研究表明，無論腐殖質(zhì)是什么，它都不是科學(xué)家所認(rèn)為的那種可持久存在的物質(zhì)。土壤研究人員得出的結(jié)論是，即使是最大、最復(fù)雜的分子，也會(huì)被土壤內(nèi)豐富而貪婪的微生物迅速吞噬。那種長期停留的神奇分子可能根本不存在。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的土壤研究員格雷格·桑福德（Gregg Sanford）表示：“標(biāo)準(zhǔn)教科書《土壤學(xué)與生活》（The Nature and Properties of Soils）中的土壤有機(jī)碳積累理論已被證明大多是錯(cuò)誤的……但我們?nèi)栽诮淌谒！逼浜蠊h(yuǎn)遠(yuǎn)超出碳封存策略。主要?dú)夂蚰Ｐ停缏?lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）制作的模型，都基于對(duì)土壤的這種過時(shí)的理解。最近的幾項(xiàng)研究表明，這些模型低估了氣候變暖時(shí)土壤釋放的碳總量。此外，預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)實(shí)踐所產(chǎn)生溫室氣體影響的計(jì)算機(jī)模型可能對(duì)土壤捕獲和保存碳的能力過于樂觀了。

當(dāng)然，把碳長期儲(chǔ)存于地下仍是可以實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，放射性定年法測(cè)量已經(jīng)表明，一定量的碳能在土壤里停留幾個(gè)世紀(jì)。但在土壤科學(xué)家建立一種新的范式（正在進(jìn)行中）來取代舊的范式之前，沒有人會(huì)完全理解為什么。

根部周圍的細(xì)毛被饑餓的細(xì)菌覆蓋；離根部稍遠(yuǎn)的土壤中的微生物數(shù)量可能少一個(gè)數(shù)量級(jí)

腐殖質(zhì)之死

土壤由礦物質(zhì)、腐爛的有機(jī)物、空氣、水以及非常復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)組成。一茶匙健康土壤含有的細(xì)菌、真菌和其他微生物比全球人口還多。

德國生物學(xué)家弗朗茨·阿查德（Franz Karl Achard）是理解土壤內(nèi)混亂狀況的先驅(qū)。在1786年的一項(xiàng)開創(chuàng)性研究中，他使用堿從泥炭土里提取出由長碳鏈構(gòu)成的分子，新發(fā)現(xiàn)數(shù)年后得名“腐殖質(zhì)”。幾個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家開始相信，這種長鏈的腐殖質(zhì)構(gòu)成了一個(gè)大土壤碳池，能抵抗分解，長期存在。由較短分子組成的較小部分則被認(rèn)為是微生物的養(yǎng)料（而微生物將二氧化碳呼出到大氣中）。

康奈爾大學(xué)的土壤科學(xué)家約翰內(nèi)斯·萊曼（Johannes Lehmann）表示，這種觀點(diǎn)偶爾會(huì)受到挑戰(zhàn)，但到20世紀(jì)中葉，腐殖質(zhì)范式成了唯一的范式。事實(shí)上，腐殖質(zhì)的存在或許是為數(shù)不多的能被許多非科研工作者知曉的土壤科學(xué)事實(shí)之一。

幫助打破腐殖質(zhì)對(duì)土壤科學(xué)控制的是物理學(xué)。20世紀(jì)下半葉，強(qiáng)大的新型顯微鏡以及核磁共振和X射線光譜等技術(shù)使土壤科學(xué)家第一次能夠直接觀察完整土壤，看看那里頭有什么——而非把土壤挖出來，再觀測(cè)這個(gè)孤立的樣本。

他們的發(fā)現(xiàn)令人震驚：幾乎沒有那種極難分解的“頑固”長碳鏈分子；看起來幾乎所有的東西都很小，而且都是理論上易分解的。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的土壤科學(xué)家詹妮弗·佩特-里奇（Jennifer Pett-Ridge）表示：“我們沒在土壤里看到任何頑固到無法分解的分子。微生物將分解任何東西——甚至是非常討人厭的化學(xué)物質(zhì)。”

借助先進(jìn)的顯微鏡和光譜學(xué)技術(shù)開展土壤研究的萊曼是最早揭示腐殖質(zhì)缺失的學(xué)者之一。2015年，他與同事共同在《自然》發(fā)表論文指出：“現(xiàn)有證據(jù)不支持 ‘土壤內(nèi)會(huì)形成持久性的大分子腐殖質(zhì)’ 這樣的說法?！?019年，萊曼發(fā)表演講，借著幻燈片宣告腐殖質(zhì)概念已死。

過去十年間，大多數(shù)土壤科學(xué)家開始接受萊曼等人的觀點(diǎn)。是的，土壤千差萬別，也的確容納了大量的碳，但這些碳都無法長期停留，往往很快就會(huì)被微生物分解，然后釋放到大氣中。2016年出版的最新版《土壤學(xué)與生活》引用了萊曼2015年的論文，并承認(rèn)“自世紀(jì)之交以來，我們對(duì)土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)和成因的理解有了很大的進(jìn)步，一些長期被接受的概念被修正或拋棄?！?/p>

然而，舊的想法可能非常頑固。在土壤科學(xué)領(lǐng)域之外，很少有人聽說過腐殖質(zhì)概念的消亡。

土壤碳匯，氣候希望

在土壤科學(xué)家重新理解土壤本質(zhì)的同時(shí)，氣候研究人員發(fā)現(xiàn)大氣里二氧化碳含量的增加正迅速使氣候變暖，并可能帶來災(zāi)難性的后果。

科學(xué)家開始思考把土壤用作一個(gè)巨大碳匯的可能性。土壤中的碳量很大——比地球大氣層和所有植被所含碳的總和還要多。雖然耕作等行為會(huì)增加土壤內(nèi)碳的排放——在人類歷史上，農(nóng)業(yè)活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致大約1 330億噸的碳排至大氣——但是，隨著植物死亡和根部分解，土壤也會(huì)再吸收碳。

耕作等活動(dòng)會(huì)減少土壤中儲(chǔ)存的碳量

科學(xué)家開始建議，我們或許能夠?qū)⒋髿饫锏拇罅刻家赝寥溃砸种粕踔聊孓D(zhuǎn)氣候變暖。這一概念在實(shí)踐中被證明難度極大。增加碳儲(chǔ)存的早期思路是“種植作物而不耕地”，而此類努力大多已落空。當(dāng)農(nóng)民遵循指導(dǎo)，放棄了耕作這一步后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)上層土壤內(nèi)的碳儲(chǔ)存增長，下層土壤里的碳卻消失了?，F(xiàn)在大多數(shù)專家都認(rèn)為，只種不耕的做法只會(huì)重新分配土壤中的碳，而不是增加碳存量；當(dāng)然，它也可以改善水質(zhì)和土壤健康等。于是，HPI的成員們走上了土壤碳封存 2.0的道路：一種更直接的干預(yù)，基本上就是直接將大量碳塞到土里。

索爾克研究所的一組科學(xué)家提出，為什么不創(chuàng)造這樣一種植物，它的根部會(huì)產(chǎn)生非常多的富碳分子，進(jìn)而擁有了吸收大氣中二氧化碳的能力？根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的計(jì)算，如果廣泛種植，此類植物每年可能吸收多達(dá)20%的人類過量排放至大氣的二氧化碳。

索爾克研究所的科學(xué)家聚焦在一種名為“木栓質(zhì)”（許多植物根部都會(huì)產(chǎn)生）的復(fù)雜的軟木塞狀分子上。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)前十年的研究表明，木栓質(zhì)及類似分子能抵抗土壤的分解。

木栓質(zhì)細(xì)胞的掃描電鏡照片

通過營銷，HPI獲得了關(guān)注。2019年的首輪融資籌集了超過 3 500萬美元。2020年，杰夫·貝索斯從他的“地球基金”中拿出了3 000萬美元捐贈(zèng)給HPI。

然而，隨著項(xiàng)目上線，質(zhì)疑聲也開始出現(xiàn)。2016年，有研究者指出：沒人真正研究過木栓質(zhì)的分解過程。當(dāng)他們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分木栓質(zhì)都迅速腐爛。

2019年，植物遺傳學(xué)家、HPI的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一喬安妮·喬里（Joanne Chory）在TED 會(huì)議上介紹了自己團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃。加州大學(xué)默塞德分校的土壤科學(xué)家阿斯梅雷特·貝爾赫（Asmeret Asefaw Berhe）在會(huì)上向喬里指出，根據(jù)現(xiàn)代土壤科學(xué)，木栓質(zhì)與任何含碳化合物一樣，應(yīng)該會(huì)在土壤中分解。

大約同一時(shí)間，肯塔基大學(xué)的土壤研究員漢娜·波芬巴格（Hanna Poffenbarger）在聽到另一位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人沃爾夫?qū)げ际╓olfgang Busch）在研討會(huì)上的講話后，也發(fā)表了類似評(píng)論?！澳阏娴膽?yīng)該讓一些土壤科學(xué)家參與進(jìn)來，因?yàn)椤覀兛梢耘嘤龈B固的根’的假設(shè)——可能是無法成立的?！?/p>

2021年早些時(shí)候，同行們對(duì)HPI的質(zhì)疑聲越發(fā)刺耳。正如土壤科學(xué)家喬納森·桑德曼（Jonathan Sanderman）在社交媒體上所寫的：“我認(rèn)為土壤生物地球化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)不再認(rèn)為存在一種神奇的植物化合物能長期頑固地存留于土壤。我是否遺漏了一些關(guān)于木栓質(zhì)的重要的新文獻(xiàn)？”另一位土壤科學(xué)家回答說：“不，文獻(xiàn)表明木栓質(zhì)會(huì)像其他有機(jī)成分一樣被分解。我一直不明白為什么索爾克研究所將他們的HPI建立在這個(gè)前提上?！?/p>

布施在接受采訪時(shí)承認(rèn)“沒有牢不可破的生物分子”，但他也引用了已發(fā)表的關(guān)于木栓質(zhì)抗分解的論文并表示：“我們對(duì)木栓質(zhì)仍然非常樂觀?！?/p>

布施還指出，索爾克研究所的科學(xué)家正在推行的第二項(xiàng)舉措：嘗試設(shè)計(jì)擁有更長根部的植物，以便將碳沉積于土壤下更深處。桑德曼等也認(rèn)同，碳在較深土壤層中往往能停留更長時(shí)間。

喬里和布施還分別與貝爾赫和波芬巴格展開了合作。例如，波芬巴格將分析含有富含木栓質(zhì)植物根的土壤樣本在不同環(huán)境條件下的變化情況。不過即便是這些研究也無法回答“木栓質(zhì)可存在多久”的問題——波芬巴格表示，如果我們目標(biāo)是讓碳遠(yuǎn)離大氣足夠長的時(shí)間以減緩全球變暖，那么這個(gè)問題的答案就至關(guān)重要。

除了索爾克研究所的計(jì)劃，其他基于土壤碳匯的氣候項(xiàng)目也在吸引大量資金。例如，拜登在2021年4月向國會(huì)發(fā)表的演說中建議向農(nóng)民支付費(fèi)用，讓他們種植覆蓋作物，不求收獲，而是為了在種植經(jīng)濟(jì)作物的間隙滋養(yǎng)土壤。有證據(jù)表明，當(dāng)覆蓋作物的根部分解時(shí)，其中一部分碳會(huì)留在土壤里——當(dāng)然，與木栓質(zhì)的情況一樣，它能持續(xù)多久也是一個(gè)懸而未決的問題。

舊土地里的差錯(cuò)

頑固的碳也可能扭曲氣候預(yù)測(cè)。

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開始編寫復(fù)雜的大型計(jì)算機(jī)程序來預(yù)測(cè)全球氣候的未來。由于土壤既吸收又釋放二氧化碳，氣候模型試圖考慮土壤與大氣的相互作用。但是全球氣候過于復(fù)雜，為了讓程序能在當(dāng)時(shí)的機(jī)器上運(yùn)行，簡化步驟是不可避免的。而就土壤方面，科學(xué)家做了一個(gè)大簡化：他們完全忽略了土壤里的微生物，反倒還依據(jù)腐殖質(zhì)范式，將土壤碳分為短期碳池和長期碳池。

托恩表示，最近幾代模型，包括IPCC在其流傳甚廣的報(bào)告里所使用的模型，基本都建立于早期模型的基礎(chǔ)上。他們?nèi)匀患僭O(shè)土壤碳存在于長期和短期碳池內(nèi)。因此，這些模型可能高估了土壤中殘留的碳量，卻低估了排放到大氣里的碳量。

2020年夏天，《自然》雜志發(fā)表一項(xiàng)研究：作者團(tuán)隊(duì)人工加熱巴拿馬熱帶雨林的土壤以模擬氣候變化的長期影響，試圖確定有多少二氧化碳因此釋放。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫暖土壤比附近的不溫暖區(qū)域多釋放了55%的碳——比大多數(shù)氣候模型預(yù)測(cè)的釋放量大得多。他們認(rèn)為，土壤里的微生物會(huì)在溫度升高時(shí)變得更活躍，數(shù)量增加。

這項(xiàng)研究尤其令人沮喪，因?yàn)槭澜缟洗蟛糠滞寥捞级嘉挥跓釒Ш捅憋L(fēng)地區(qū)（區(qū)域帶寬約700至2 000公里，歐亞大陸上從挪威穿過西伯利亞延伸到堪察加半島，北美則從阿拉斯加穿過加拿大延伸到紐芬蘭）。盡管如此，最新的土壤模型還是根據(jù)美國和歐洲等溫帶國家的土壤研究結(jié)果進(jìn)行了校準(zhǔn)。萊曼表示：“我們?cè)诟呔暥鹊貐^(qū)和熱帶地區(qū)的工作非常糟糕?！?/p>

即使是溫帶氣候模型也需要改進(jìn)。托恩和同事今年早些時(shí)候報(bào)告稱，加利福尼亞森林里的深層土壤在變暖5年后釋放了大約1/3的碳，這與預(yù)測(cè)不符。

托恩總結(jié)道，土壤模型需要更真實(shí)地反映土壤本身：一個(gè)復(fù)雜的三維環(huán)境，由高度多樣化的碳吞噬細(xì)菌、真菌和其他微觀生物群落控制。在此基礎(chǔ)上，模型的各個(gè)環(huán)節(jié)越細(xì)致越好，對(duì)于大多數(shù)模型來說，若可把微生物作為一個(gè)類別添加進(jìn)來，那將是重大進(jìn)步。

新的沃土

如果腐殖質(zhì)范式即將終結(jié)，那取而代之的會(huì)是什么？

一個(gè)重要且長期被忽視的因素似乎是土壤環(huán)境的三維結(jié)構(gòu)。在科學(xué)家的描述中，土壤是一個(gè)獨(dú)立的世界，有它自己的“大陸”“海洋”“山脈”，復(fù)雜的微地理環(huán)境決定了細(xì)菌和真菌等微生物可以到哪處，不能去何方，食物吃得怎樣。

佩特-里奇形象地描述土壤微生物的“飲食生活”：“土壤里的某細(xì)菌可能離一大塊有機(jī)物只有10微米遠(yuǎn)，我敢肯定它會(huì)喜歡降解這塊有機(jī)物的，但不幸的是咫尺之遙的美食卻位于一組礦物質(zhì)的另一側(cè)。對(duì)于該細(xì)菌來說，這個(gè)情況相當(dāng)于君住長江頭，我住長江尾?！?/p>

新土壤范式下，土壤中碳的命運(yùn)如何？目前研究人員認(rèn)為，幾乎所有進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)都會(huì)被微生物分解。然后一部分會(huì)以二氧化碳的形式排到大氣里；剩下的可能被另一種或幾種微生物吃掉，或者粘在一小部分粘土上，又或者被困于土壤聚集體內(nèi)——土壤聚集體是一團(tuán)多孔顆粒，從微生物的角度看，它就像城市般龐大，如堡壘般堅(jiān)不可摧。碳同位素研究表明，大量碳可以在土壤里停留幾個(gè)世紀(jì)甚至更長時(shí)間。如果腐殖質(zhì)沒起到穩(wěn)定作用，那么礦物質(zhì)和聚集體也可能起到穩(wěn)定作用。

近期，普林斯頓大學(xué)的研究人員使用微流體裝置構(gòu)建了一種簡化的人造土壤——本質(zhì)上是用于移動(dòng)液體和細(xì)胞的微型塑料通道。他們發(fā)現(xiàn)如果把碳安置于由小塊粘土制成的聚集體內(nèi)，就能防止碳被細(xì)菌吞沒，但要是再加入一種消化酶，碳就會(huì)從聚集體內(nèi)釋放出來并迅速被吃掉。領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的工程師霍華德·斯通（Howard Stone）表示：“令我們驚訝的是，沒有人在酶、細(xì)菌和捕獲的碳之間建立這種聯(lián)系。”

萊曼正積極嘗試構(gòu)建關(guān)于逐步分解階段的碳的“土壤連續(xù)介質(zhì)模型”，并以此取代舊模型。不過該模型以及其他類似的理論還都離完成很遠(yuǎn)。

該領(lǐng)域的專家一致認(rèn)為，土壤科學(xué)正處于典型的范式轉(zhuǎn)變之中，沒有人知道該領(lǐng)域下一版教科書會(huì)寫什么。

資料來源 Quanta Magazine