土壤微生物能否减缓气候变化？有位科学家给出了答案，但这在学术界引起了争论

原文作者：科学美国人

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编译：骆煌霖

全球碳排放量在2018年创下历史新高，这引起了气候学家的激烈讨论。他们认为“全球变暖正在进一步加剧，最晚将在22世纪初对人类产生灾难性的后果”。为应对这一挑战，有学者提出了在农业领域中，大力发展碳农业技术的观点。碳农业技术的原理就是从空气中捕捉碳，并将其储存在土壤中，以达到降低空气中二氧化碳浓度的目的。而目前全球能进行碳捕捉的储碳土壤几乎全部应用于农业生产，因此碳农业技术推广和发展的关键问题在于能否在不影响农业发展的基础上，同时提高土壤中的碳储存量。这不仅是一个技术问题，更是一个经济问题。

美国新墨西哥州立大学的David Johnson教授经过多年试验研究发现，提高土壤中真菌与细菌的比例，也就是让真菌成为优势菌种，能够既实现作物增产的同时，进一步提高土壤中固碳的含量。他已经把这项研究成果公之于众，但能否应用于各国的大型机械化农业生产还需进一步的探讨和论证其严谨性和经济效益。

Johnson是一位著名的微生物学专家，即使是最为先进的宏基因组技术他都了如指掌。他认为，实现利用土壤碳封存量的最大化，关键在于采取各种手段恢复土壤中原有的微生物菌群平衡，同时提高土壤的蓄水能力和植物物种多样性。“目前地球土壤与过去相比，在物理、化学、生物性质上，尤其是生物性质，产生了极为严重的退化。而微生物能够有效修复土壤，促进其生态平衡的恢复。”Johnson多年来致力于研究土壤微生物与农田中土壤碳捕捉能力之间的关系。在可持续农业中，通常采取覆盖作物方式进行种植。这能够有效提高植物的光合作用能力，从空气中吸收二氧化碳，同时有利于土壤肥力、水分等的管理。在过去四年半的田间试验中，Johnson采用覆盖作物的方式进行种植，同时使用其团队利用蚯蚓转化有机废物后所得堆肥提取的微生物菌液于农作物中。他认为菌液中的细菌、真菌、原生动物等能够与土壤中的线虫、微节肢动物和其他有益生物形成食物网，这有利于土壤和作物的健康发展。Johnson的试验结果十分成功，但这也遭到了其他学者的质疑。他的研究报告显示，通过覆盖作物和施用菌液，每公顷农田土壤的年碳储存量净增长量约11吨，这意味着每英亩土壤每年能够从从大气中移除约16吨二氧化碳，这是其他学者在不同土壤、气候下条件下试验结果的10倍。Johnson认为，碳储量的剧增及农作物产量的增长是由于蚯蚓堆肥提取的富维生物溶液的施加，因为它在很大程度上改善了土壤的生态平衡，也进一步提高了土壤中真菌与细菌的比例。

美国俄亥俄州立大学教授Rattan Lal是目前土壤固碳技术领域的权威专家，Johnson此次的研究成果引起了他的关注。他的团队计划开展进一步的试验，验证Johnson教授的研究成果。“我们必须进行更大规模的田间试验，以佐证Johnson的成果在全世界推广的可行性。”Lal说。与此同时，Johnson教授也正在开展更为细致的作物试验，以研究土壤中真菌、细菌之比与土壤肥力、作物产量之间的相互作用关系。目前的研究成果显示，使用微生物菌液及精细的农田管理，能够大幅提高土壤中真菌与细菌的比例、土壤碳含量及其他养分。Johnson说：“土壤中真菌与细菌比例的增加，能够有效提高土壤生物群落利用碳及其他养分的能力，从而降低土壤向大气释放的二氧化碳含量。”目前一些现有的土壤领域的文献也证实了这一结论，但仍未有学者证实在水下、森林和亚北极地区等不同环境地区的土壤具有这一关系。因此，它还未形成广泛共识。

  截然相反的结论

Johnson认为如果能够在国际农业领域推广他的方法，从2016年起全球碳排放就能实现只储存于地球约22%的可耕地中的目标；同时，政府若能制订相应的碳捕集信用政策，鼓励碳减排，或促进捕集碳的进一步利用，同时考虑相关效益，如灌溉量的减少、土壤肥力的提高等，每英亩土地产生500至600美元的净效益。为了在全球推广碳捕捉技术，Johnson已经收集了五个州3~75英亩大小的不同类型农田的数据进行分析。但其他学者质疑他的样本容量过低，曼尼托巴大学的Henry Janzen教授说“他这样做是存在风险的”。他认为世界各地的生态系统都是独一无二的，在一个地点促进土壤碳容量增加的方法在另一个地区可能并不奏效，这是因为固碳的增长速度受到诸多因素的相互影响，如土壤性质、管理措施、气候条件、人类过度开发等。并且Janzen指出，土壤无法无限值地吸收碳，也许几年或几十年后，土壤碳含量会逐渐接近一种饱和状态，达到稳定。因此，土壤固碳技术通常不被视为应对大气二氧化碳浓度不断增长的长期解决方案。Johnson对Anzen教授的质疑回应道：“尽管土壤碳储存量会趋于峰值，但通过精细的管理土壤和改善土壤微生物的健康平衡却能为人类带来巨大的碳收益”。目前，他正在进一步扩大田间实验规模，以在不同地理区域、覆盖范围、商品作物的更大耕种面积上验证他的试验结果，以评估其对世界不同地区的持续影响。

  这是一种新的耕种典范吗？

Johnson与大多数传统土壤学家不同，他十分厌恶利用传统方式，犁地、裸休耕、使用除草剂、杀虫剂和杀菌剂等提高生产效率，他认为这些会严重破坏土壤微生物群。“除草剂如草甘膦等，会杀死土壤中的曲霉菌，而曲霉菌通常被认为是真菌存在的标志，它在碳和氮循环中发挥着举足轻重的地位”。对于化肥，Johnson已经证实“通过对土壤接种微生物，及耕作覆盖作物的富集作用，已能够在自然作用下积累植物生长所需的氮含量。并且而在农业环境中，氮是一种限制性养分！”。他的研究结果显示，菌液和覆盖作物能提高土壤净初级生产力的五倍，意味着固氮细菌每年能为每英亩土壤积累770磅氮。要知道，一种普通作物每英亩只需要大约180磅的氮。因此Johnson认为施加人工肥料非常浪费。

Johnson迄今为止的所有工作以及为他的结论作证的研究报道，也只是以报告和其他为公开发行的文献形式发表。而康奈尔大学综合植物科学学院的Harold van Es教授对Johnson目前的研究成果持强烈的批判态度。Harold van Es认为“在科研领域，每个人的研究成果应该受到同行之间的相互评价。而他的观点根本不应该去作为科学事实提出。土壤中真菌和细菌的比例尽管十分重要，但这不意味着只有Johnson的方法可行，还有许多方法能够提高这一比例。比如减少耕作也能实现类似的效果，并已经被广泛地记录和应用。虽然Johnson教授的研究引起了土壤领域学者的争议与不满，但在全球气候变化进程进一步加快的背景下，科学家们会团结一致，不遗余力地去探寻有效限制碳排放量的革命性方法。也许，土壤的微生物群就是一个强有力的工具。