희망은 흙이 우리를 구할 수 있다는 것이었습니다. 문명이 계속해서 증가하는 양의 이산화탄소를 대기로 펌핑함에 따라 아마도 식물(자연의 탄소 세정기)은 과잉 탄소의 일부를 포장하여 수세기 이상 동안 지하에 묻을 수 있을 것입니다.

그 희망은 점점 더 야심 찬 기후 변화 완화 계획을 부채질했습니다. 예를 들어, Salk Institute의 연구원들은 기대 뿌리가 수베린이라고 불리는 탄소가 풍부한 코르크와 같은 물질을 대량으로 만들어내는 생명공학 식물에 적용됩니다. 식물이 죽은 후에도 수베린의 탄소는 수세기 동안 묻혀 있어야 한다고 생각합니다. 이것 식물 이니셔티브 활용 아마도 우리 발 밑에 있는 갈색 물질을 기반으로 하는 기후 변화 솔루션의 붐비는 창공에서 가장 밝은 별일 것입니다.

그러한 계획은 수백 또는 수천 년 동안 지하에서 지속될 수 있는 크고 안정적이며 탄소가 풍부한 분자의 존재에 결정적으로 의존합니다. 총칭하여 부식질이라고 하는 그러한 분자는 오랫동안 토양 과학의 핵심이었습니다. 주요 농업 관행과 정교한 기후 모델이 이를 기반으로 합니다.

그러나 지난 10여 년 동안 토양 과학은 물리학에서 상대성 이론이나 양자 역학이 무너지면 일어날 일과 유사한 조용한 혁명을 겪었습니다. 이 경우를 제외하고는 토양이 기후를 구할 수 있기를 바라는 많은 사람들을 포함하여 거의 아무도 그것에 대해 들어본 적이 없습니다. “아직 잡히지 않은 격리에 관심이 있는 사람들이 많이 있습니다.”라고 말했습니다. 마가렛 톤, 로렌스 버클리 국립 연구소의 토양 과학자.

현대 현미경과 영상 기술에 의해 구동되는 새로운 세대의 토양 연구는 부식질이 무엇이든 과학자들이 믿었던 오래 지속되는 물질이 아님을 밝혀냈습니다. 토양 연구자들은 가장 크고 가장 복잡한 분자도 토양의 풍부하고 탐욕스러운 미생물에 의해 빠르게 삼킬 수 있다고 결론지었습니다. 당신이 흙에 그냥 붙어 있을 수 있고 그곳에 머물 것으로 기대하는 마법 분자는 존재하지 않을 수도 있습니다.

"나는 가지고있다 토양의 성질과 성질 내 앞에서 - 표준 교과서"라고 말했다. 그렉 샌포드, 매디슨 위스콘신 대학의 토양 연구원. "교과서에 있는 토양 유기 탄소 축적 이론은 대부분 거짓임이 입증되었으며 ... 우리는 여전히 그것을 가르치고 있습니다."

그 결과는 탄소 격리 전략을 훨씬 능가합니다. 기후변화에 관한 정부간 협의체에서 생성된 것과 같은 주요 기후 모델은 이러한 구식 토양에 대한 이해를 기반으로 합니다. 몇몇의 최근 연구 이러한 모델은 온난화 기후에서 토양에서 방출될 탄소의 총량을 과소평가하고 있음을 나타냅니다. 또한, 탄소 시장에서 사용되는 예측인 농업 관행의 온실 가스 영향을 예측하는 컴퓨터 모델은 아마도 탄소를 포획하고 보유하는 토양의 능력에 대해 지나치게 낙관적일 것입니다.

탄소를 장기간 지하에 저장하는 것은 여전히 ​​가능할 수 있습니다. 실제로, 방사성 연대 측정은 어느 정도의 탄소가 수세기 동안 토양에 머무를 수 있음을 시사합니다. 그러나 토양 과학자들이 오래된 것을 대체할 새로운 패러다임을 구축할 때까지(현재 진행 중인 프로세스) 아무도 그 이유를 완전히 이해하지 못할 것입니다.

후무스의 죽음

흙은 그 비밀을 쉽게 포기하지 않습니다. 그것의 성분 작고 다양하며 엄청나게 많습니다. 최소한 미네랄, 썩어가는 유기물, 공기, 물, 그리고 엄청나게 복잡한 미생물 생태계로 구성되어 있습니다. 건강한 흙 한 스푼 이 포함되어 있습니다 지구상에 인간보다 더 많은 박테리아, 곰팡이 및 기타 미생물이 있습니다.

독일 생물학자인 프란츠 칼 아하르트(Franz Karl Achard)는 혼돈을 이해하는 초기 선구자였습니다. 중요한 1786년 연구에서 그는 알칼리를 사용하여 이탄 토양에서 긴 탄소 사슬로 구성된 분자를 추출했습니다. 수세기에 걸쳐 과학자들은 부식질이라고 하는 긴 사슬이 분해에 저항하는 토양 탄소의 큰 웅덩이를 구성하고 거의 거기에 앉아 있다고 믿게 되었습니다. 더 짧은 분자로 구성된 더 작은 부분은 이산화탄소를 대기로 내뿜는 미생물을 공급하는 것으로 생각되었습니다.

이 견해는 때때로 도전을 받았지만, 20세기 중반까지 부식질 패러다임은 "마을의 유일한 게임"이었습니다. 요하네스 레만, 코넬 대학의 토양 과학자. 농부들은 부식질을 만들기로 되어 있는 관행을 채택하도록 지시받았습니다. 실제로 부식질의 존재는 아마도 많은 비과학자들이 암송할 수 있는 몇 안 되는 토양 과학 사실 중 하나일 것입니다.

부식질의 토양 과학의 지배를 깨는 데 도움이 된 것은 물리학이었습니다. 20세기 후반에 핵자기 공명 및 X선 분광법과 같은 강력한 새 현미경과 기술을 통해 토양 과학자들은 처음으로 토양을 직접 들여다보고 무엇이 있는지 볼 수 있었습니다. 그들에게.

그들이 발견한 것, 또는 더 구체적으로 그들이 발견하지 못한 것은 충격적이었습니다. 더 이상 분해되지 않는 "내성" 탄소 분자가 거의 또는 전혀 없었습니다. 거의 모든 것이 작고 원칙적으로 소화 가능한 것처럼 보였습니다.

"우리는 토양에서 분해될 수 없을 정도로 내성이 강한 분자를 보지 못합니다."라고 말했습니다. 제니퍼 펫 릿지, 로렌스 리버모어 국립 연구소의 토양 과학자. "미생물은 정말 나쁜 화학 물질을 포함하여 무엇이든 분해하는 법을 배웁니다."

고급 현미경과 분광학을 사용한 연구를 통해 부식질의 부재를 최초로 밝혀낸 Lehmann이 이 개념의 핵심 폭로자가 되었습니다. 2015 자연 그가 공동 저술한 논문 "이용 가능한 증거는 토양에서 분자 크기의 잔류성 '휴믹 물질'의 형성을 지지하지 않는다." 2019년 그는 '우리 친구, 후무스의 개념'에 대한 모의 사망 발표가 담긴 슬라이드로 강연을 했다.

지난 XNUMX여 년 동안 대부분의 토양 과학자들은 이 견해를 받아들이게 되었습니다. 예, 토양은 엄청나게 다양합니다. 그리고 많은 양의 탄소를 함유하고 있습니다. 그러나 토양에는 원칙적으로 미생물에 의해 분해되어 대기로 방출되지 않는 탄소가 없습니다. 의 최신판 토양의 성질과 성질, 2016년에 출판된 , Lehmann의 2015년 논문을 인용하고 "토양 부식질의 본질과 기원에 대한 우리의 이해는 세기의 전환기 이후로 크게 발전하여 오랫동안 받아 들여진 일부 개념을 수정하거나 포기해야 함"을 인정합니다.

그러나 오래된 아이디어는 매우 완고할 수 있습니다. 토양 과학 분야를 제외하고는 부식질의 종말에 대해 들어본 사람이 거의 없습니다.

묻힌 약속

토양 과학자들이 정확히 토양이 무엇인지 재발견하고 있는 동시에, 기후 연구자들은 대기 중 이산화탄소의 양이 증가함에 따라 기후가 급격히 온난화되어 잠재적으로 치명적인 결과를 초래할 수 있음을 밝혔습니다.

생각은 곧 거대한 탄소 흡수원으로 토양을 사용하는 것으로 바뀌었습니다. 토양에는 엄청난 양의 탄소가 포함되어 있습니다. 이는 지구의 대기와 모든 식물을 합친 것보다 더 많은 탄소입니다. 쟁기질과 같은 특정 관행이 탄소를 자극할 수 있지만 인류 역사에 걸쳐 농업은 133억 미터톤의 탄소 대기 중으로 — 식물이 죽고 뿌리가 분해되면서 토양도 탄소를 흡수할 수 있습니다.

과학자들은 기후 변화의 피해를 완화하거나 심지어 역전시키기 위해 많은 양의 대기 탄소를 토양으로 다시 유인할 수 있을 것이라고 제안하기 시작했습니다.

실제로 이것은 어려운 것으로 판명되었습니다. 탄소 저장량을 늘리려는 초기 아이디어(토양을 경작하지 않고 농작물 재배)는 대부분 무산되었습니다. 농부들이 경작을 건너뛰고 대신 땅에 씨를 뿌렸을 때 탄소 저장고는 상부 토양층에서 자랐지만 하부층에서는 사라졌습니다. 대부분의 전문가들은 현재 이러한 관행이 수질 및 토양 건강과 같은 다른 요소를 개선할 수 있지만 탄소를 증가시키기보다는 토양 내에서 탄소를 재분배한다고 믿습니다.

Harnessing Plants Initiative와 같은 노력은 토양 탄소 격리 2.0과 같은 것을 나타냅니다. 본질적으로 많은 탄소를 땅에 집어넣는 보다 직접적인 개입입니다.

솔크 연구소의 두 식물 유전학자가 이 계획을 시작했습니다. 조앤 코리 과 볼프강 부시, 아이디어를 생각해 냈습니다. 뿌리가 탄소가 풍부한 분자를 과도하게 생성하는 식물을 만드십시오. 그들의 계산에 따르면, 그러한 식물은 널리 자라면 인간이 매년 대기에 추가하는 과잉 이산화탄소의 최대 20%를 격리할 수 있습니다.

연구자들은 많은 식물 뿌리에서 생성되는 수베린이라는 복잡한 코르크 같은 분자에 초점을 맞췄습니다. 1990년대와 2000년대의 연구에서는 수베린과 이와 유사한 분자가 토양에서 분해되지 않을 수 있다는 것을 암시했습니다.

화려한 마케팅으로 Harnessing Plants Initiative가 주목을 받았습니다. 2019년 첫 모금 라운드 데려왔다 35만 달러 이상. 작년에 억만장자 제프 베조스는 자신의 "지구 기금"에서 30천만 달러를 기부했습니다.

그러나 프로젝트가 추진력을 얻으면서 회의론자들을 끌어들였습니다. 한 연구 그룹은 2016년에 아무도 수베린 분해 과정을 실제로 관찰한 사람이 없다고 언급했습니다. 그 저자들이 관련 실험을 했을 때, 그들은 많은 수베린이 빠르게 부패한다는 것을 발견했습니다.

2019년 Chory는 TED 컨퍼런스에서 프로젝트에 대해 설명했습니다. 아스메렛 아세포 베르헤같은 회의에서 연설한 Merced 캘리포니아 대학의 토양 과학자는 현대 토양 과학에 따르면 수베린은 탄소 함유 화합물과 마찬가지로 토양에서 분해되어야 한다고 Chory에게 지적했습니다. (미국 에너지부 과학실장으로 지명된 Berhe는 인터뷰 요청을 거부했습니다.)

같은시기에, 한나 포펜바거켄터키 대학의 토양 연구원인 부쉬가 워크숍에서 연설하는 것을 들은 후 비슷한 논평을 했습니다. Poffenbarger는 Busch와의 인터뷰를 회상합니다. "좀 더 내성적인 뿌리를 번식할 수 있다는 가정은 타당하지 않을 수 있기 때문에 일부 토양 과학자를 참여시켜야 합니다."라고 Poffenbarger는 회상합니다.

프로젝트에 대한 질문은 올해 초 공개적으로 나타났습니다. 조나단 샌더만, 매사추세츠 주 우즈 홀에 있는 우드웰 기후 연구 센터의 토양 과학자, 트위트 된, “나는 토양 생물지구화학 공동체가 마법의 난치성 식물 화합물이 있다는 생각에서 옮겨온 줄 알았다. 내가 수베린에 관한 몇 가지 중요한 새로운 문헌을 놓치고 있습니까?” 또 다른 토양 과학자 응답, “아니요, 문헌에 따르면 수베린은 다른 모든 유기농 식물 성분과 마찬가지로 분해됩니다. @salkinstitute가 왜 이 전제에 하네스 플랜트 이니셔티브를 기반으로 했는지 이해하지 못했습니다.”

Busch는 인터뷰에서 "깨지지 않는 생체 분자는 없다"고 인정했습니다. 하지만, 인용 출판 서류 수베린의 분해 저항성에 대해 그는 “수베린에 관해서는 여전히 매우 낙관적”이라고 말했다.

그는 또한 Salk 연구원들이 수베린 향상과 병행하여 추구하는 두 번째 이니셔티브에 주목했습니다. 그들은 탄소를 토양 깊숙이 퇴적시킬 수 있는 더 긴 뿌리를 가진 식물을 설계하려고 합니다. Sanderman과 같은 독립적인 전문가들은 탄소가 더 깊은 토양층에 더 오래 머무르는 경향이 있다는 데 동의합니다.

Chory와 Busch는 각각 Berhe 및 Poffenbarger와 협업을 시작했습니다. 예를 들어, Poffenbarger는 수베린이 풍부한 식물 뿌리를 포함하는 토양 샘플이 다양한 환경 조건에서 어떻게 변하는지 분석할 것입니다. 그러나 그 연구들조차 수베린이 얼마나 오래 남아 있는지에 대한 질문에 답하지 않을 것이라고 Poffenbarger는 말했습니다. 목표가 지구 온난화에 영향을 줄 만큼 충분히 오랫동안 대기에서 탄소를 유지하는 것이라면 중요합니다.

Salk 프로젝트를 넘어 장기간의 탄소 격리 및 토양 저장에 의존하는 다른 기후 프로젝트로 추진력과 자금이 흐르고 있습니다. 예를 들어, 바이든 대통령은 XNUMX월 의회 연설에서 추천 수확을 위해 재배되는 것이 아니라 환금 작물을 심는 사이에 토양을 가꾸기 위해 재배되는 덮개작물을 심도록 농부들에게 비용을 지불합니다. 증거에 따르면 덮개작물 뿌리가 무너지면 탄소의 일부가 토양에 남습니다. 수베린과 마찬가지로 얼마나 오래 지속되는지는 미해결 문제입니다.

코드의 버그가 충분하지 않음

내성적인 탄소는 기후 예측을 뒤틀 수도 있습니다.

1960년대에 과학자들은 지구 기후의 미래를 예측하기 위해 크고 복잡한 컴퓨터 프로그램을 작성하기 시작했습니다. 토양은 이산화탄소를 흡수하고 방출하기 때문에 기후 모델은 토양과 대기의 상호 작용을 고려하려고 시도했습니다. 그러나 지구 환경은 환상적으로 복잡하고 프로그램이 당시의 기계에서 실행될 수 있도록 하려면 단순화가 필요했습니다. 토양에 대해 과학자들은 큰 것을 만들었습니다. 그들은 토양의 미생물을 완전히 무시했습니다. 대신, 그들은 부식질 패러다임에 따라 기본적으로 토양 탄소를 단기 및 장기 저장고로 나누었습니다.

Torn은 기후 변화에 관한 정부간 패널이 널리 읽히는 보고서에 사용하는 모델을 포함하여 최신 세대 모델은 본질적으로 이전 모델을 기반으로 하는 palimpsest라고 말했습니다. 그들은 여전히 ​​장기 및 단기 수영장에 토양 탄소가 존재한다고 가정합니다. 결과적으로 이러한 모델은 토양에 얼마나 많은 탄소가 달라붙을지 과대평가하고 얼마나 많은 이산화탄소를 배출할지 과소평가할 수 있습니다.

지난 여름, 연구 출판 자연 연구자들이 기후 변화의 장기적인 영향을 모방하기 위해 파나마 열대 우림의 토양을 인위적으로 데울 때 얼마나 많은 이산화탄소가 방출되는지 조사했습니다. 그들은 따뜻해진 토양이 주변의 따뜻하지 않은 지역보다 55% 더 많은 탄소를 방출한다는 것을 발견했습니다. 이는 대부분의 기후 모델에서 예측한 것보다 훨씬 더 많은 양입니다. 연구자들은 토양의 미생물이 따뜻한 온도에서 더 활발하게 자라서 증가한다고 생각합니다.

세계 토양 탄소의 대부분이 열대와 북부 아한대 지역에 있기 때문에 이 연구는 특히 낙담했습니다. 그럼에도 불구하고, 주요 토양 모델은 역사적으로 대부분의 연구가 수행된 미국 및 유럽과 같은 온대 국가의 토양 연구 결과로 보정됩니다. Lehmann은 “고위도와 열대 지방에서 우리는 꽤 나쁜 일을 하고 있습니다.

온대 기후 모델도 개선이 필요합니다. 찢어진 동료들 올해 초 보도했다. 예측과 달리 캘리포니아 숲의 깊은 토양층은 XNUMX년 동안 따뜻해지면 탄소의 약 XNUMX분의 XNUMX을 방출합니다.

궁극적으로 Torn은 모델이 토양을 실제에 더 가까운 것으로 표현해야 한다고 말했습니다. 탄소를 먹는 박테리아, 균류 및 기타 미세한 존재의 매우 다양한 커뮤니티가 지배하는 복잡하고 XNUMX차원적인 환경입니다. 그러나 더 작은 단계라도 환영할 것입니다. 그녀는 미생물을 단일 클래스로 추가하는 것만으로도 대부분의 모델에서 중요한 진전이 될 것이라고 말했습니다.

비옥 한 땅

부식질 패러다임이 종말을 고한다면 다음과 같은 질문이 생깁니다. 무엇이 그것을 대체할 것입니까?

한 가지 중요하고 오랫동안 간과된 요소는 토양 환경의 XNUMX차원 구조인 것으로 보입니다. 과학자들은 토양을 대륙, 대양, 산맥과 같은 하나의 세계로 묘사합니다. 이 복잡한 미세 지리학은 박테리아 및 곰팡이와 같은 미생물이 갈 수 있는 곳과 갈 수 없는 곳을 결정합니다. 그들이 접근할 수 있는 음식과 금지된 음식.

Pett-Ridge는 토양 박테리아가 "분해되기를 원하는 큰 유기물 덩어리에서 불과 10미크론 떨어져 있을 수 있지만 미네랄 클러스터의 반대편에 있습니다"라고 말했습니다. "말 그대로 지구 반대편에 있는 것과 같습니다."

새로운 토양 패러다임의 또 다른 관련되고 제대로 이해되지 않은 성분은 토양 내 탄소의 운명입니다. 연구원들은 이제 토양에 들어가는 거의 모든 유기 물질이 미생물에 의해 소화될 것이라고 믿습니다. Sanderman은 "이제 토양 유기물이 다양한 분해 정도의 식물 물질의 느슨한 집합이라는 것이 정말 분명해졌습니다."라고 말했습니다. 일부는 이산화탄소로 대기 중으로 호흡됩니다. 남은 것은 다른 미생물과 세 번째 미생물이 먹을 수 있습니다. 또는 약간의 점토에 달라붙거나 토양 골재 내부에 갇힐 수 있습니다. 미생물의 관점에서 볼 때 도시만큼 크고 요새처럼 뚫을 수 없는 다공성 입자 덩어리입니다. 탄소 동위원소에 대한 연구에 따르면 많은 탄소가 수세기 또는 그 이상 동안 토양에 달라붙을 수 있습니다. 부식질이 안정화를 일으키지 않는다면 아마도 광물과 골재가 안정화될 것입니다.

토양 과학이 새로운 이론에 정착하기 전에 틀림없이 더 많은 놀라움이 있을 것입니다. 하나는 전달 최근에 프린스턴 대학의 연구원 그룹이 미세 유체 장치를 사용하여 단순화된 인공 토양을 구성했습니다. 연구원들은 점토 조각으로 만든 골재 내부에 넣은 탄소가 박테리아로부터 보호된다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들이 소화 효소를 첨가했을 때, 탄소는 응집체에서 빠져나갔고 빠르게 먹어치웠습니다. "놀랍게도, 아무도 효소, 박테리아 및 갇힌 탄소 사이의 이러한 연관성을 이끌어내지 못했습니다."라고 말했습니다. 하워드 스톤, 연구를 주도한 엔지니어.

Lehmann은 안정적인 탄소와 불안정한 탄소의 오래된 이분법을 점진적인 분해 단계에서 탄소의 "토양 연속체 모델"로 대체하려고 노력하고 있습니다. 그러나 이 모델과 이와 유사한 다른 모델은 완전하지 않으며 이 시점에서 수학적으로 예측하기보다는 개념적입니다.

연구자들은 토양 과학이 고전적인 패러다임 전환의 한가운데에 있다는 데 동의합니다. 아무도 그 분야가 정확히 어디에 착륙할 것인지, 교과서의 다음 판에 쓰여질 내용입니다. "우리는 개념적 혁명을 겪고 있습니다"라고 말했습니다. 마크 브래드 포드, 예일 대학의 토양 과학자. “우리는 아직 새로운 대성당을 얻지 못했습니다. 우리에게는 많은 교회가 생겨났습니다.”