「近百年來,人類的農業活動,正在喚醒土壤深處沉睡的古碳,這可能為未來減排固碳帶來新的挑戰。」日前舉行的中國農業農村低碳發展報告發布會上,中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心學術委員會主任秦樹平說。
與大部分人認知不同的是,人類耕作對土壤的影響,不只在淺層,那些被認為一直在沉睡的深層土壤,也正在越來越多地受到人類活動的影響,在接受新京報記者採訪時,秦樹平介紹,他和團隊在近7年的研究中發現,氮肥施用,使得土壤深處的古碳正在被喚醒和活化。
關鍵帶深層有機碳生物地球化學過程不易受地上人類活動的影響。受訪者供圖
土壤深處,沉睡著大量惰性古碳
在人類的農業活動中,糧食、蔬菜等作物的耕作層,普遍在20公分左右,果樹的根系更深,但大部分根係也集中在表層。
「2公尺以下的土壤,被認為是深層土壤,一般認為,不會受到耕作活動太大的影響。」秦樹平說。
植物生長中,碳和氮都是最重要的元素,也是碳水化合物和蛋白質的主要成分之一。土壤中的有機碳,也一直被認為在維持土壤肥力方面起到決定性作用。
而在深層土壤中,也存在著大量的碳。秦樹平介紹,這些碳和更深處的煤炭、石油等來源類似,都是遠古時代的地質變化中,動植物在時間的長河中被淹沒,逐漸積累而成的。但和土壤淺層容易被利用的碳相比,深層的碳通常活性較低,也較穩定,可以稱之為「沉睡的古碳」。
在過去多年中,秦樹平和他的同事,研究了地下2米到48米的土壤層,並在河北石家莊欒城,建造了一座48米深、直徑2.8米的"農田關鍵帶觀測豎井",這口純人工挖掘的深井,是全球觀測要素最全面、觀測深度最大的原位觀測設施。
在這座觀測井中,可以清楚地觀測到土壤深處的情況,「這裡缺乏氧氣且微生物活性低,所以碳受到的影響也更小,同時,在漫長的掩埋中,那些更容易被微生物分解的碳已被分解殆盡,留下的是惰性極強的部分,可以比喻為'難啃的硬骨頭'。
百年農業,正在影響深層的土壤
研究土壤深處的碳,源自於一次偶然的想法。秦樹平告訴記者,2017年左右,他在給孩子講一個「喚醒地底沉睡巨龍」的故事時,忽然想到,地底沉睡的碳,其實和故事中的巨龍有些相似,它們都在土壤深處,一旦喚醒,它們也會帶來烈焰和高溫——龍會噴火,而深層的碳被喚醒,就有可能變成溫室氣體,排放到大氣中,加劇溫室效應。
土壤是一個巨大的碳庫,深藏人類尚不能準確估算的碳。在人類耕作的淺層土壤中,碳被長期利用,變成土壤肥力維持和溫室氣體排放的源頭之一。但深層的碳,真的在沉睡嗎?
透過48公尺深的觀測井,秦樹平、胡春勝等科學家研究發現,這些原本被認為一直在沉睡的碳,其實已經漸漸開始甦醒和活化,而引起這一變化的,是人類的氮肥施用。
人類成規模施用氮肥,約有近百年的歷史。和碳一樣,氮是植物生長必備的元素,也是蛋白質合成的主要來源。
在研究中,研究人員發現,人類施用到土壤中的氮肥,並沒有完全被利用,有一部分以銨態氮的形式被土壤吸附,保留在淺層土壤中,還有一部分在各種因素的作用下,變成了硝酸鹽。而硝酸鹽不易被吸附,會在土壤中不斷滲漏,一直滲漏到土壤深處。
「碳和氮是一對互相影響的元素,一個是氧化劑,一個是還原劑。在土壤深處,碳本來是相對穩定的,這裡缺乏氧氣可以讓碳氧化,也缺乏足量的微生物利用它。微生物和其他生物一樣,需要碳和氮作為生命的營養元素,以前缺乏氮,微生物不多,古碳又不易利用,所以整體保持穩定。 ',使得微生物群落開始增多,那些不易被利用的碳,也開始被微生物利用。
古碳甦醒,會帶來什麼樣的變化
和石油、煤炭一樣,沉睡在土壤深處的古碳,是地球上的不可再生的資源。當它們會被喚醒,是否意味著,人類可以利用它們,而喚醒之後,又會帶來怎樣的改變?
秦樹平介紹,人類目前的技術,對土壤深處的古碳,利用的可能性很小。 "農業耕作中,幾乎不會利用到2米以下的土層,所以直接利用是不太現實的。"
但這並不意味著沒有影響,秦樹平介紹,「土壤深處的碳本身發揮著許多特殊的作用,例如淨化地下水。雨水等地表水在滲漏到地底深處的時候,這些碳會起到淨化作用,而一旦土壤深層的碳減少,淨化作用就會降低,這是有可能出現的變化。
更重要的是,土壤中的古碳活化是和固碳相反的過程,「土壤有固碳能力,這對減少溫室氣體排放有一定的幫助。但反過來,土壤中的碳和人類施用的氮發生反應,就會活化,生成二氧化碳和氧化亞氮。
地下2公尺以下的土壤中,古碳活化帶來的溫室氣體,會不會逐漸升騰,離開土壤,釋放到大氣中?
秦樹平介紹,這正是未來要繼續研究的目標,「也可能已經開始向大氣中釋放,現在溫室效應中,可能有地底古碳活化釋放的部分,也可能未來會釋放出來,進一步加劇溫室效應。但在目前,這些都還是猜想和推測,等待下一步研究和揭示。
地底古碳的活化,也不完全是負面影響,秦樹平說,「在科研和未來生產中,也有一些值得期待的東西,比如地底微生物是如何利用惰性古碳的,這可能會發掘出高效利用和轉化碳的新微生物,為未來的農業生產帶來新的技術或產品。
新京報首席記者周懷宗
編輯張樹婧校對柳寶慶
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