应对气候危机，土壤会有什么作为？

编译 莫庄非

随着人类活动向大气排放越来越多的二氧化碳，我们开始怀揣这样一种希望：或许植物，这种大自然的碳洗涤器，能够将一些多余的碳打包起来，并将其埋在土壤下几个世纪甚至更长时间。

这种希望促使我们推出了越来越雄心勃勃的旨在减缓气候变化的计划。例如，索尔克生物研究所的科学家希望对植物进行生物工程改造，令其根部能快速产生大量富含碳的软木塞状物质——木栓质。他们认为，即使植物死去，其木栓质内的碳也应该可以埋藏数百年。这个基于土壤的气候危机解决方案便是索尔克植物治理计划——利用植物倡议（HPI）的核心策略，其前景非常值得人们期待。

该计划高度依赖能在地下持续数百年甚至数千年的大型、稳定、富含碳的物质——腐殖质。腐殖质长期以来一直都是土壤科学的基石，也是主要农业实践和复杂气候模型的基础。

但在过去10年，土壤科学经历了一场悄无声息的革命，类似于物理学中的相对论或量子力学被推翻那般等级的革命。不过几乎没有人（包括许多希望土壤拯救气候的人）听说过它。用美国劳伦斯伯克利国家实验室的土壤科学家玛格丽特·托恩（Margaret Torn）的话说，“即使很多对温室气体封存感兴趣的人，也还没跟上土壤革命的节奏”。

由现代显微镜和成像技术支持的新一代土壤研究表明，无论腐殖质是什么，它都不是科学家所认为的那种可持久存在的物质。土壤研究人员得出的结论是，即使是最大、最复杂的分子，也会被土壤内丰富而贪婪的微生物迅速吞噬。那种长期停留的神奇分子可能根本不存在。

威斯康星大学麦迪逊分校的土壤研究员格雷格·桑福德（Gregg Sanford）表示：“标准教科书《土壤学与生活》（The Nature and Properties of Soils）中的土壤有机碳积累理论已被证明大多是错误的……但我们仍在教授它。”其后果远远超出碳封存策略。主要气候模型，例如联合国政府间气候变化委员会（IPCC）制作的模型，都基于对土壤的这种过时的理解。最近的几项研究表明，这些模型低估了气候变暖时土壤释放的碳总量。此外，预测农业实践所产生温室气体影响的计算机模型可能对土壤捕获和保存碳的能力过于乐观了。

当然，把碳长期储存于地下仍是可以实现的。事实上，放射性定年法测量已经表明，一定量的碳能在土壤里停留几个世纪。但在土壤科学家建立一种新的范式（正在进行中）来取代旧的范式之前，没有人会完全理解为什么。

根部周围的细毛被饥饿的细菌覆盖；离根部稍远的土壤中的微生物数量可能少一个数量级

腐殖质之死

土壤由矿物质、腐烂的有机物、空气、水以及非常复杂的微生物生态系统组成。一茶匙健康土壤含有的细菌、真菌和其他微生物比全球人口还多。

德国生物学家弗朗茨·阿查德（Franz Karl Achard）是理解土壤内混乱状况的先驱。在1786年的一项开创性研究中，他使用碱从泥炭土里提取出由长碳链构成的分子，新发现数年后得名“腐殖质”。几个世纪以来，科学家开始相信，这种长链的腐殖质构成了一个大土壤碳池，能抵抗分解，长期存在。由较短分子组成的较小部分则被认为是微生物的养料（而微生物将二氧化碳呼出到大气中）。

康奈尔大学的土壤科学家约翰内斯·莱曼（Johannes Lehmann）表示，这种观点偶尔会受到挑战，但到20世纪中叶，腐殖质范式成了唯一的范式。事实上，腐殖质的存在或许是为数不多的能被许多非科研工作者知晓的土壤科学事实之一。

帮助打破腐殖质对土壤科学控制的是物理学。20世纪下半叶，强大的新型显微镜以及核磁共振和X射线光谱等技术使土壤科学家第一次能够直接观察完整土壤，看看那里头有什么——而非把土壤挖出来，再观测这个孤立的样本。

他们的发现令人震惊：几乎没有那种极难分解的“顽固”长碳链分子；看起来几乎所有的东西都很小，而且都是理论上易分解的。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的土壤科学家詹妮弗·佩特-里奇（Jennifer Pett-Ridge）表示：“我们没在土壤里看到任何顽固到无法分解的分子。微生物将分解任何东西——甚至是非常讨人厌的化学物质。”

借助先进的显微镜和光谱学技术开展土壤研究的莱曼是最早揭示腐殖质缺失的学者之一。2015年，他与同事共同在《自然》发表论文指出：“现有证据不支持 ‘土壤内会形成持久性的大分子腐殖质’ 这样的说法。”2019年，莱曼发表演讲，借着幻灯片宣告腐殖质概念已死。

过去十年间，大多数土壤科学家开始接受莱曼等人的观点。是的，土壤千差万别，也的确容纳了大量的碳，但这些碳都无法长期停留，往往很快就会被微生物分解，然后释放到大气中。2016年出版的最新版《土壤学与生活》引用了莱曼2015年的论文，并承认“自世纪之交以来，我们对土壤腐殖质的性质和成因的理解有了很大的进步，一些长期被接受的概念被修正或抛弃。”

然而，旧的想法可能非常顽固。在土壤科学领域之外，很少有人听说过腐殖质概念的消亡。

土壤碳汇，气候希望

在土壤科学家重新理解土壤本质的同时，气候研究人员发现大气里二氧化碳含量的增加正迅速使气候变暖，并可能带来灾难性的后果。

科学家开始思考把土壤用作一个巨大碳汇的可能性。土壤中的碳量很大——比地球大气层和所有植被所含碳的总和还要多。虽然耕作等行为会增加土壤内碳的排放——在人类历史上，农业活动已经导致大约1 330亿吨的碳排至大气——但是，随着植物死亡和根部分解，土壤也会再吸收碳。

耕作等活动会减少土壤中储存的碳量

科学家开始建议，我们或许能够将大气里的大量碳引回土壤，以抑制甚至逆转气候变暖。这一概念在实践中被证明难度极大。增加碳储存的早期思路是“种植作物而不耕地”，而此类努力大多已落空。当农民遵循指导，放弃了耕作这一步后，科学家发现上层土壤内的碳储存增长，下层土壤里的碳却消失了。现在大多数专家都认为，只种不耕的做法只会重新分配土壤中的碳，而不是增加碳存量；当然，它也可以改善水质和土壤健康等。于是，HPI的成员们走上了土壤碳封存 2.0的道路：一种更直接的干预，基本上就是直接将大量碳塞到土里。

索尔克研究所的一组科学家提出，为什么不创造这样一种植物，它的根部会产生非常多的富碳分子，进而拥有了吸收大气中二氧化碳的能力？根据团队成员的计算，如果广泛种植，此类植物每年可能吸收多达20%的人类过量排放至大气的二氧化碳。

索尔克研究所的科学家聚焦在一种名为“木栓质”（许多植物根部都会产生）的复杂的软木塞状分子上。20世纪90年代和21世纪前十年的研究表明，木栓质及类似分子能抵抗土壤的分解。

木栓质细胞的扫描电镜照片

通过营销，HPI获得了关注。2019年的首轮融资筹集了超过 3 500万美元。2020年，杰夫·贝索斯从他的“地球基金”中拿出了3 000万美元捐赠给HPI。

然而，随着项目上线，质疑声也开始出现。2016年，有研究者指出：没人真正研究过木栓质的分解过程。当他们在进行相关实验时发现，大部分木栓质都迅速腐烂。

2019年，植物遗传学家、HPI的项目负责人之一乔安妮·乔里（Joanne Chory）在TED 会议上介绍了自己团队的计划。加州大学默塞德分校的土壤科学家阿斯梅雷特·贝尔赫（Asmeret Asefaw Berhe）在会上向乔里指出，根据现代土壤科学，木栓质与任何含碳化合物一样，应该会在土壤中分解。

大约同一时间，肯塔基大学的土壤研究员汉娜·波芬巴格（Hanna Poffenbarger）在听到另一位项目负责人沃尔夫冈·布施（Wolfgang Busch）在研讨会上的讲话后，也发表了类似评论。“你真的应该让一些土壤科学家参与进来，因为‘我们可以培育出更顽固的根’的假设——可能是无法成立的。”

2021年早些时候，同行们对HPI的质疑声越发刺耳。正如土壤科学家乔纳森·桑德曼（Jonathan Sanderman）在社交媒体上所写的：“我认为土壤生物地球化学领域已经不再认为存在一种神奇的植物化合物能长期顽固地存留于土壤。我是否遗漏了一些关于木栓质的重要的新文献？”另一位土壤科学家回答说：“不，文献表明木栓质会像其他有机成分一样被分解。我一直不明白为什么索尔克研究所将他们的HPI建立在这个前提上。”

布施在接受采访时承认“没有牢不可破的生物分子”，但他也引用了已发表的关于木栓质抗分解的论文并表示：“我们对木栓质仍然非常乐观。”

布施还指出，索尔克研究所的科学家正在推行的第二项举措：尝试设计拥有更长根部的植物，以便将碳沉积于土壤下更深处。桑德曼等也认同，碳在较深土壤层中往往能停留更长时间。

乔里和布施还分别与贝尔赫和波芬巴格展开了合作。例如，波芬巴格将分析含有富含木栓质植物根的土壤样本在不同环境条件下的变化情况。不过即便是这些研究也无法回答“木栓质可存在多久”的问题——波芬巴格表示，如果我们目标是让碳远离大气足够长的时间以减缓全球变暖，那么这个问题的答案就至关重要。

除了索尔克研究所的计划，其他基于土壤碳汇的气候项目也在吸引大量资金。例如，拜登在2021年4月向国会发表的演说中建议向农民支付费用，让他们种植覆盖作物，不求收获，而是为了在种植经济作物的间隙滋养土壤。有证据表明，当覆盖作物的根部分解时，其中一部分碳会留在土壤里——当然，与木栓质的情况一样，它能持续多久也是一个悬而未决的问题。

旧土地里的差错

顽固的碳也可能扭曲气候预测。

20世纪60年代，科学家开始编写复杂的大型计算机程序来预测全球气候的未来。由于土壤既吸收又释放二氧化碳，气候模型试图考虑土壤与大气的相互作用。但是全球气候过于复杂，为了让程序能在当时的机器上运行，简化步骤是不可避免的。而就土壤方面，科学家做了一个大简化：他们完全忽略了土壤里的微生物，反倒还依据腐殖质范式，将土壤碳分为短期碳池和长期碳池。

托恩表示，最近几代模型，包括IPCC在其流传甚广的报告里所使用的模型，基本都建立于早期模型的基础上。他们仍然假设土壤碳存在于长期和短期碳池内。因此，这些模型可能高估了土壤中残留的碳量，却低估了排放到大气里的碳量。

2020年夏天，《自然》杂志发表一项研究：作者团队人工加热巴拿马热带雨林的土壤以模拟气候变化的长期影响，试图确定有多少二氧化碳因此释放。结果发现，温暖土壤比附近的不温暖区域多释放了55%的碳——比大多数气候模型预测的释放量大得多。他们认为，土壤里的微生物会在温度升高时变得更活跃，数量增加。

这项研究尤其令人沮丧，因为世界上大部分土壤碳都位于热带和北风地区（区域带宽约700至2 000公里，欧亚大陆上从挪威穿过西伯利亚延伸到堪察加半岛，北美则从阿拉斯加穿过加拿大延伸到纽芬兰）。尽管如此，最新的土壤模型还是根据美国和欧洲等温带国家的土壤研究结果进行了校准。莱曼表示：“我们在高纬度地区和热带地区的工作非常糟糕。”

即使是温带气候模型也需要改进。托恩和同事今年早些时候报告称，加利福尼亚森林里的深层土壤在变暖5年后释放了大约1/3的碳，这与预测不符。

托恩总结道，土壤模型需要更真实地反映土壤本身：一个复杂的三维环境，由高度多样化的碳吞噬细菌、真菌和其他微观生物群落控制。在此基础上，模型的各个环节越细致越好，对于大多数模型来说，若可把微生物作为一个类别添加进来，那将是重大进步。

新的沃土

如果腐殖质范式即将终结，那取而代之的会是什么？

一个重要且长期被忽视的因素似乎是土壤环境的三维结构。在科学家的描述中，土壤是一个独立的世界，有它自己的“大陆”“海洋”“山脉”，复杂的微地理环境决定了细菌和真菌等微生物可以到哪处，不能去何方，食物吃得怎样。

佩特-里奇形象地描述土壤微生物的“饮食生活”：“土壤里的某细菌可能离一大块有机物只有10微米远，我敢肯定它会喜欢降解这块有机物的，但不幸的是咫尺之遥的美食却位于一组矿物质的另一侧。对于该细菌来说，这个情况相当于君住长江头，我住长江尾。”

新土壤范式下，土壤中碳的命运如何？目前研究人员认为，几乎所有进入土壤的有机物质都会被微生物分解。然后一部分会以二氧化碳的形式排到大气里；剩下的可能被另一种或几种微生物吃掉，或者粘在一小部分粘土上，又或者被困于土壤聚集体内——土壤聚集体是一团多孔颗粒，从微生物的角度看，它就像城市般庞大，如堡垒般坚不可摧。碳同位素研究表明，大量碳可以在土壤里停留几个世纪甚至更长时间。如果腐殖质没起到稳定作用，那么矿物质和聚集体也可能起到稳定作用。

近期，普林斯顿大学的研究人员使用微流体装置构建了一种简化的人造土壤——本质上是用于移动液体和细胞的微型塑料通道。他们发现如果把碳安置于由小块粘土制成的聚集体内，就能防止碳被细菌吞没，但要是再加入一种消化酶，碳就会从聚集体内释放出来并迅速被吃掉。领导此项研究的工程师霍华德·斯通（Howard Stone）表示：“令我们惊讶的是，没有人在酶、细菌和捕获的碳之间建立这种联系。”

莱曼正积极尝试构建关于逐步分解阶段的碳的“土壤连续介质模型”，并以此取代旧模型。不过该模型以及其他类似的理论还都离完成很远。

该领域的专家一致认为，土壤科学正处于典型的范式转变之中，没有人知道该领域下一版教科书会写什么。

资料来源 Quanta Magazine