土壤科学革命颠覆了应对气候变化的计划

科学家们开始建议，我们或许能够将大量的大气碳引回土壤，以抑制甚至逆转气候变化的破坏。在实践中，这被证明是困难的。增加碳储存量的早期想法——种植作物而不耕种土壤——大多已落空。当农民跳过耕作而是将种子钻入地下时，碳储存在上层土壤中增长，但从下层土壤中消失了。大多数人现在认为这种做法会重新分配土壤中的碳而不是增加碳，尽管它可以改善其他因素，例如水质和土壤健康。像“利用植物倡议”这样的努力代表了类似于土壤碳封存 2.0 的东西：一种更直接的干预，基本上是将一堆碳塞入地下。当 Salk 研究所的两位植物遗传学家 Joanne Chory 和 Wolfgang Busch 提出一个想法时，该倡议就出现了：创建根部产生过量富碳分子的植物。根据他们的计算，如果广泛种植，这些植物可能会隔离人类每年向大气中添加的过量二氧化碳的 20%。研究人员将注意力集中在一种称为木栓质的复杂软木状分子上，该分子由许多植物根部产生。 1990 年代和 2000 年代的研究表明，木栓质和类似分子可以抵抗土壤中的分解。通过华丽的营销，“利用植物倡议”获得了关注。 2019 年的首轮融资筹集了超过 3500 万美元。去年，亿万富翁杰夫贝索斯从他的“地球基金”中捐赠了 3000 万美元。但随着该项目获得动力，它引起了怀疑。一组研究人员在 2016 年指出，没有人真正观察到木栓质分解过程。当这些作者进行相关实验时，他们发现大部分木栓质迅速腐烂。

2019 年，Chory 在 TED 会议上描述了该项目。加州大学默塞德分校的土壤科学家 Asmeret Asefaw Berhe 在同一次会议上发言时向 Chory 指出，根据现代土壤科学，木栓质与任何含碳化合物一样，应该在土壤中分解。 （被提名领导美国能源部科学办公室的 Berhe 拒绝了采访请求。）大约在同一时间，肯塔基大学的土壤研究员 Hanna Poffenbarger 在听到 Busch 在一个车间。 “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——这可能是无效的，”波芬巴格回忆说，告诉布希。今年早些时候，有关该项目的问题公开浮出水面，当时马萨诸塞州伍兹霍尔伍德威尔气候研究中心的土壤科学家乔纳森·桑德曼 (Jonathan Sanderman) 在推特上写道：“我认为土壤生物地球化学界已经不再认为存在一种神奇的顽植物化合物。我是否遗漏了一些关于木栓质的重要新文献？”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植物成分一样被分解。我一直不明白为什么@salkinstitute 将他们的植物利用计划建立在这个前提上。” Busch 在接受采访时承认“没有牢不可破的生物分子”。但是，他引用已发表的关于木栓质抗分解性的论文说，“我们对木栓质仍然非常乐观。”他还指出，Salk 研究人员在增强木栓质的同时，正在推行的第二项举措。他们正试图设计具有更长根的植物，可以将碳沉积在土壤中更深的地方。桑德曼等独立专家同意，碳在较深的土壤层中往往会停留更长时间，从而使该解决方案具有潜在的更坚实的概念基础。 Chory 和 Busch 还分别与 Berhe 和 Poffenbarger 展开了合作。例如，Poffenbarger 将分析含有富含木栓质的植物根系的土壤样本在不同环境条件下的变化情况。但即使是这些研究也无法回答木栓质存在多久的问题，Poffenbarger 说——如果目标是让碳远离大气足够长的时间以减缓全球变暖，这一点很重要。除了 Salk 项目之外，动力和资金正流向其他依赖于土壤中长期固碳和碳储存的气候项目。例如，在 4 月向国会发表的演讲中，拜登总统建议向农民支付费用，让他们种植覆盖作物，这些作物的种植不是为了收获，而是为了在种植经济作物的间隙滋养土壤。有证据表明，当覆盖作物根系分解时，它们的一些碳会留在土壤中——尽管与木栓质一样，它能持续多久是一个悬而未决的问题。

1960 年代，科学家们开始编写大型、复杂的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。但是全球气候异常复杂，为了使程序能够在当时的机器上运行，简化是必要的。对于土壤，科学家们做了一个大动作：他们完全忽略了土壤中的微生物。相反，他们根据腐殖质范式，基本上将土壤碳分为短期和长期库。 Torn 说，最近几代的模型，包括政府间气候变化专门委员会在其广泛阅读的报告中使用的模型，基本上都是建立在早期模型的基础上。他们仍然假设土壤碳存在于长期和短期池中。因此，这些模型可能高估了土壤中残留的碳量，而低估了它们排放的二氧化碳量。去年夏天，一项发表在《自然》杂志上的研究调查了当研究人员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时释放了多少二氧化碳。他们发现，温暖的土壤比附近的未温暖地区释放的碳多 55%——比大多数气候模型预测的释放量大得多。研究人员认为，土壤中的微生物在温度升高时变得更加活跃，从而导致微生物数量增加。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北方地区。尽管如此，领先的土壤模型已根据美国和欧洲等温带国家的土壤研究结果进行校准，这些国家历史上大多数研究都是在这些国家完成的。 “我们在高纬度地区和热带地区的表现非常糟糕，”莱曼说。即使是温带气候模型也需要改进。 Torn 及其同事今年早些时候报告说，与预测相反，加利福尼亚森林中的深层土壤在变暖五年后释放了大约三分之一的碳。最终，Torn 说，模型需要将土壤表示为更接近实际的东西：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。但更小的步骤将是受欢迎的。她说，对于大多数模型来说，仅仅将微生物作为一个类别添加将是重大进步。如果腐殖质范式即将结束，问题就变成了：什么将取而代之？

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。科学家将土壤描述为一个独立的世界，相当于大陆、海洋和山脉。这种复杂的微地理决定了细菌和真菌等微生物可以去哪里，不能去哪里；他们可以获得哪些食物以及哪些食物是禁食的。 Pett-Ridge 说，土壤细菌“可能离一大块有机物只有 10 微米远，我敢肯定它们会喜欢降解这些有机物，但它位于矿物质群的另一侧。” “从字面上看，就好像它在地球的另一边。”新土壤范式中另一个相关且知之甚少的成分是土壤中碳的命运。研究人员现在认为，几乎所有进入土壤的有机物质都会被微生物消化。 “现在很明显，土壤有机质只是处于不同程度退化的植物物质的松散组合，”桑德曼说。然后一些会以二氧化碳的形式呼吸到大气中。剩下的可以被另一种微生物吃掉——还有第三种，依此类推。或者它可以与一点粘土结合或被困在土壤聚集体中：从微生物的角度来看，多孔的颗粒团块可以像城市一样大，像堡垒一样坚不可摧。碳同位素研究表明，大量碳可以在土壤中停留几个世纪甚至更长时间。如果腐殖质没有起到稳定作用，那么矿物质和聚集体可能会起到稳定作用。在土壤科学确定一个新理论之前，无疑会有更多的惊喜。一个可能是最近由普林斯顿大学的一组研究人员提供的，他们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小塑料通道。研究人员发现，他们放入由小块粘土制成的聚集体中的碳可以防止细菌滋生。但是当他们添加消化酶时，碳从聚集体中释放出来并迅速被吞噬。 “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，”领导这项研究的工程师霍华德斯通说。 Lehmann 正在推动用碳在逐步分解阶段的“土壤连续模型”取代旧的稳定和不稳定碳的二分法。但是这个模型和其他类似的模型还远未完成，在这一点上，与其说是数学预测，不如说是概念性的。研究人员一致认为，土壤科学正处于经典范式转变之中。没有人知道该领域的确切位置——下一版教科书会写什么。 “我们正在经历一场概念革命，”耶鲁大学土壤科学家马克布拉德福德说。 “我们还没有真正建造一座新的大教堂。我们有一大堆教堂出现了。”