編譯 莫莊非

隨著人類活動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世紀甚至更長時間。

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劃。例如，索爾克生物研究所的科學家希望對植物進行生物工程改造，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)。他們認為，即使植物死去，其木栓質(zhì)內(nèi)的碳也應該可以埋藏數(shù)百年。這個基于土壤的氣候危機解決方案便是索爾克植物治理計劃——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的基石，也是主要農(nóng)業(yè)實踐和復雜氣候模型的基礎(chǔ)。

但在過去10年，土壤科學經(jīng)歷了一場悄無聲息的革命，類似于物理學中的相對論或量子力學被推翻那般等級的革命。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驗室的土壤科學家瑪格麗特·托恩（Margaret Torn）的話說，“即使很多對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，它都不是科學家所認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、最復雜的分子，也會被土壤內(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。

威斯康星大學麥迪遜分校的土壤研究員格雷格·桑福德（Gregg Sanford）表示：“標準教科書《土壤學與生活》（The Nature and Properties of Soils）中的土壤有機碳積累理論已被證明大多是錯誤的……但我們?nèi)栽诮淌谒??！逼浜蠊h遠超出碳封存策略。主要氣候模型，例如聯(lián)合國政府間氣候變化委員會（IPCC）制作的模型，都基于對土壤的這種過時的理解。最近的幾項研究表明，這些模型低估了氣候變暖時土壤釋放的碳總量。此外，預測農(nóng)業(yè)實踐所產(chǎn)生溫室氣體影響的計算機模型可能對土壤捕獲和保存碳的能力過于樂觀了。

當然，把碳長期儲存于地下仍是可以實現(xiàn)的。事實上，放射性定年法測量已經(jīng)表明，一定量的碳能在土壤里停留幾個世紀。但在土壤科學家建立一種新的范式（正在進行中）來取代舊的范式之前，沒有人會完全理解為什么。

根部周圍的細毛被饑餓的細菌覆蓋；離根部稍遠的土壤中的微生物數(shù)量可能少一個數(shù)量級

腐殖質(zhì)之死

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

德國生物學家弗朗茨·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)”。幾個世紀以來，科學家開始相信，這種長鏈的腐殖質(zhì)構(gòu)成了一個大土壤碳池，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）。

康奈爾大學的土壤科學家約翰內(nèi)斯·萊曼（Johannes Lehmann）表示，這種觀點偶爾會受到挑戰(zhàn)，但到20世紀中葉，腐殖質(zhì)范式成了唯一的范式。事實上，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事實之一。

幫助打破腐殖質(zhì)對土壤科學控制的是物理學。20世紀下半葉，強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，再觀測這個孤立的樣本。

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驗室的土壤科學家詹妮弗·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物質(zhì)。”

借助先進的顯微鏡和光譜學技術(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)會形成持久性的大分子腐殖質(zhì)’ 這樣的說法。”2019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)土壤科學家開始接受萊曼等人的觀點。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《土壤學與生活》引用了萊曼2015年的論文，并承認“自世紀之交以來，我們對土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)和成因的理解有了很大的進步，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

在土壤科學家重新理解土壤本質(zhì)的同時，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，并可能帶來災難性的后果。

科學家開始思考把土壤用作一個巨大碳匯的可能性。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。雖然耕作等行為會增加土壤內(nèi)碳的排放——在人類歷史上，農(nóng)業(yè)活動已經(jīng)導致大約1 330億噸的碳排至大氣——但是，隨著植物死亡和根部分解，土壤也會再吸收碳。

耕作等活動會減少土壤中儲存的碳量

科學家開始建議，我們或許能夠?qū)⒋髿饫锏拇罅刻家赝寥?，以抑制甚至逆轉(zhuǎn)氣候變暖。這一概念在實踐中被證明難度極大。增加碳儲存的早期思路是“種植作物而不耕地”，而此類努力大多已落空。當農(nóng)民遵循指導，放棄了耕作這一步后，科學家發(fā)現(xiàn)上層土壤內(nèi)的碳儲存增長，下層土壤里的碳卻消失了。現(xiàn)在大多數(shù)專家都認為，只種不耕的做法只會重新分配土壤中的碳，而不是增加碳存量；當然，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，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家提出，為什么不創(chuàng)造這樣一種植物，它的根部會產(chǎn)生非常多的富碳分子，進而擁有了吸收大氣中二氧化碳的能力？根據(jù)團隊成員的計算，如果廣泛種植，此類植物每年可能吸收多達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家聚焦在一種名為“木栓質(zhì)”（許多植物根部都會產(chǎn)生）的復雜的軟木塞狀分子上。20世紀90年代和21世紀前十年的研究表明，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3 000萬美元捐贈給HPI。

然而，隨著項目上線，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。當他們在進行相關(guān)實驗時發(fā)現(xiàn)，大部分木栓質(zhì)都迅速腐爛。

2019年，植物遺傳學家、HPI的項目負責人之一喬安妮·喬里（Joanne Chory）在TED 會議上介紹了自己團隊的計劃。加州大學默塞德分校的土壤科學家阿斯梅雷特·貝爾赫（Asmeret Asefaw Berhe）在會上向喬里指出，根據(jù)現(xiàn)代土壤科學，木栓質(zhì)與任何含碳化合物一樣，應該會在土壤中分解。

大約同一時間，肯塔基大學的土壤研究員漢娜·波芬巴格（Hanna Poffenbarger）在聽到另一位項目負責人沃爾夫?qū)げ际╓olfgang Busch）在研討會上的講話后，也發(fā)表了類似評論。“你真的應該讓一些土壤科學家參與進來，因為‘我們可以培育出更頑固的根’的假設(shè)——可能是無法成立的?！?/p>

2021年早些時候，同行們對HPI的質(zhì)疑聲越發(fā)刺耳。正如土壤科學家喬納森·桑德曼（Jonathan Sanderman）在社交媒體上所寫的：“我認為土壤生物地球化學領(lǐng)域已經(jīng)不再認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？”另一位土壤科學家回答說：“不，文獻表明木栓質(zhì)會像其他有機成分一樣被分解。我一直不明白為什么索爾克研究所將他們的HPI建立在這個前提上?！?/p>

布施在接受采訪時承認“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家正在推行的第二項舉措：嘗試設(shè)計擁有更長根部的植物，以便將碳沉積于土壤下更深處。桑德曼等也認同，碳在較深土壤層中往往能停留更長時間。

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，如果我們目標是讓碳遠離大氣足夠長的時間以減緩全球變暖，那么這個問題的答案就至關(guān)重要。

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

舊土地里的差錯

頑固的碳也可能扭曲氣候預測。

20世紀60年代，科學家開始編寫復雜的大型計算機程序來預測全球氣候的未來。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雜，為了讓程序能在當時的機器上運行，簡化步驟是不可避免的。而就土壤方面，科學家做了一個大簡化：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)表一項研究：作者團隊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)氣候模型預測的釋放量大得多。他們認為，土壤里的微生物會在溫度升高時變得更活躍，數(shù)量增加。

這項研究尤其令人沮喪，因為世界上大部分土壤碳都位于熱帶和北風地區(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)果進行了校準。萊曼表示：“我們在高緯度地區(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。托恩和同事今年早些時候報告稱，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，這與預測不符。

托恩總結(jié)道，土壤模型需要更真實地反映土壤本身：一個復雜的三維環(huán)境，由高度多樣化的碳吞噬細菌、真菌和其他微觀生物群落控制。在此基礎(chǔ)上，模型的各個環(huán)節(jié)越細致越好，對于大多數(shù)模型來說，若可把微生物作為一個類別添加進來，那將是重大進步。

新的沃土

如果腐殖質(zhì)范式即將終結(jié)，那取而代之的會是什么？

一個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)。在科學家的描述中，土壤是一個獨立的世界，有它自己的“大陸”“海洋”“山脈”，復雜的微地理環(huán)境決定了細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”：“土壤里的某細菌可能離一大塊有機物只有10微米遠，我敢肯定它會喜歡降解這塊有機物的，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)。對于該細菌來說，這個情況相當于君住長江頭，我住長江尾?！?/p>

新土壤范式下，土壤中碳的命運如何？目前研究人員認為，幾乎所有進入土壤的有機物質(zhì)都會被微生物分解。然后一部分會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，如堡壘般堅不可摧。碳同位素研究表明，大量碳可以在土壤里停留幾個世紀甚至更長時間。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)上是用于移動液體和細胞的微型塑料通道。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)，就能防止碳被細菌吞沒，但要是再加入一種消化酶，碳就會從聚集體內(nèi)釋放出來并迅速被吃掉。領(lǐng)導此項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、細菌和捕獲的碳之間建立這種聯(lián)系?！?/p>

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。

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

資料來源 Quanta Magazine