희망은 토양이 우리를 구할 수 있기를 희망하는 것이 었습니다. 문명이 계속 증가함에 따라 점점 더 많은 양의 이산화탄소를 대기로 펌핑하면서 식물 (자연의 탄소 세정기)은 아마도 그 과도한 탄소의 일부를 포장하여 수세기 이상 지하에 묻을 수있을 것입니다.
.그 희망은 점점 더 야심 찬 기후 변화 주도 계획을 촉발시켰다. 예를 들어, Salk Institute의 연구원들은 Suberin이라는 탄소가 풍부한 코르크와 같은 물질을 많이 뿌리기위한 생물 공학자 식물에 희망합니다. 식물이 사망 한 후에도 사고가 진행되면 수베린의 탄소는 수세기 동안 묻혀 있어야합니다. 이 하네스 플랜트 이니셔티브는 아마도 우리 발 아래 갈색 물건을 기반으로하는 기후 변화 솔루션의 붐비는 창에서 가장 밝은 스타 일 것입니다.
이러한 계획은 지하 수백 또는 수천 년 동안 지속될 수있는 크고 안정적인 탄소가 풍부한 분자의 존재에 의존합니다. 전체적으로 Humus라고 불리는 이러한 분자는 오랫동안 토양 과학의 핵심이었습니다. 주요 농업 관행과 정교한 기후 모델이 구축되었습니다.
그러나 지난 10 년 동안 토양 과학은 물리학에서 상대성 또는 양자 역학이 전복되면 어떻게 될지와 유사하게 조용한 혁명을 겪었습니다. 이 경우를 제외하고는 토양이 기후를 구출 할 수있는 많은 사람들을 포함하여 거의 아무도 들리지 않았습니다. 로렌스 버클리 국립 실험실의 토양 과학자 인 마가렛 톤은“아직 지나치지 않은 격리에 관심이있는 사람들이 많이있다.
현대 현미경과 이미징 기술로 구동되는 새로운 세대의 토양 연구에 따르면 umus가 무엇이든, 오래 지속되는 물질 과학자들이 그것을 믿었던 것은 아닙니다. 토양 연구자들은 가장 크고 가장 복잡한 분자조차도 토양의 풍부하고 끔찍한 미생물로 빠르게 삼킬 수 있다고 결론지었습니다. 당신이 토양에 달라 붙어 거기에 머무를 것으로 기대할 수있는 마법 분자는 존재하지 않을 수 있습니다.
“나는 토양의 본질과 특성을 가지고 있습니다 내 앞에서 - 표준 교과서”라고 Madison 위스콘신 대학교의 토양 연구원 인 Gregg Sanford는 말했습니다. "그 교과서에있는 토양 유기 탄소 축적 이론은 대부분 거짓으로 판명되었으며 우리는 여전히 그것을 가르치고 있습니다."
.결과는 탄소 격리 전략을 훨씬 뛰어 넘습니다. 기후 변화에 관한 정부 간 패널에서 생산 된 주요 기후 모델은 토양에 대한이 오래된 이해에 기초합니다. 최근 몇몇 연구에 따르면이 모델들은 온난화 기후에서 토양에서 방출 될 총 탄소의 양을 과소 평가하고 있음을 나타냅니다. 또한, 농업 관행의 온실 가스 영향을 예측하는 컴퓨터 모델 (탄소 시장에서 사용되는 예측)은 아마도 토양의 탄소를 잡고 붙잡는 능력에 대해 지나치게 낙관적 일 것입니다.
지하 탄소를 장기적으로 저장하는 것이 여전히 가능할 수 있습니다. 실제로, 방사성 데이트 측정은 어느 정도의 탄소가 수세기 동안 토양에 머물 수 있음을 시사합니다. 그러나 토양 과학자들이 현재 진행중인 과정을 대체 할 새로운 패러다임을 구축 할 때까지 아무도 그 이유를 완전히 이해하지 못할 것입니다.
누무스의 죽음
토양은 비밀을 쉽게 포기하지 않습니다. 그 구성 요소는 작고 다양하며 엄청나게 많습니다. 최소한의 경우 미네랄, 유기물, 공기, 물 및 엄청나게 복잡한 미생물 생태계로 구성됩니다. 건강한 토양 1 티스푼에는 지구상에 인간이있는 것보다 더 많은 박테리아, 곰팡이 및 기타 미생물이 포함되어 있습니다.
독일의 생물 학자 프란츠 칼 아르드 (Franz Karl Achard)는 혼란을 이해하는 초기 개척자였습니다. 1786 년의 연구에서 그는 알칼리를 사용하여 이탄 토양에서 긴 탄소 사슬로 만든 분자를 추출했습니다. 수세기에 걸쳐 과학자들은 총체적으로 Humus라고 불리는 긴 체인이 분해에 저항하고 거의 그곳에 앉아있는 큰 토양 탄소 풀을 구성했다고 믿게되었습니다. 더 짧은 분자로 구성된 더 작은 분획은 미생물을 공급하는 것으로 생각되었으며, 이산화탄소는 대기에 이산화탄소를 호흡했습니다.
이 견해는 때때로 도전을 받았지만, 20 세기 중반, umus 패러다임은“도시에서 유일한 게임”이라고 코넬 대학의 토양 과학자 인 요하네스 레만 (Johannes Lehmann)은 말했다. 농민들은 umus를 건설해야 할 관행을 채택하도록 지시 받았다. 실제로, umus의 존재는 아마도 많은 비 과학자들이 암송 할 수있는 몇 안되는 토양 과학 사실 중 하나 일 것입니다.
Humus가 토양 과학에 대한 보유를 깨는 데 도움이 된 것은 물리학이었습니다. 20 세기 후반에, 핵 자기 공명 및 X- 선 분광법과 같은 강력한 새로운 현미경과 기술은 토양 과학자들이 처음으로 토양에 직접 동료를 뿌려서 무엇이 있었는지 볼 수있게 해주었습니다.
.그들이 발견 한 것, 또는 더 구체적으로 그들이 찾지 못한 것 -는 충격적이었습니다. ""recalcitrant "탄소 분자는 거의 없거나 전혀 없었습니다. 거의 모든 것이 작고 원칙적으로 소화 가능한 것처럼 보였습니다.
Lawrence Livermore National Laboratory의 토양 과학자 인 Jennifer Pett-Ridge는“우리는 토양의 분자가 너무나 고장날 수 없을 정도로 고정 될 수없는 분자를 보지 못합니다. “미생물은 무엇이든 분해하는 법을 배울 것입니다. 심지어 심지어 불쾌한 화학 물질도 있습니다.”
고급 현미경 및 분광법을 사용한 연구가 Humus의 부재를 처음으로 밝힌 최초의 연구 중 하나 인 Lehmann은 개념의 차이가되었습니다. 2015 자연 논문은“이용 가능한 증거는 토양에서 대 분자 크기와 지속적인 '겸손한 물질'의 형성을지지하지 않는다”고 공동 저술했다. 2019 년에 그는“우리 친구, umus의 개념”에 대한 모의 죽음의 발표가 포함 된 슬라이드와 대화를 나 had습니다.
.지난 10 년 동안 대부분의 토양 과학자들은이 견해를 받아 들였습니다. 예, 토양은 엄청나게 다양합니다. 그리고 그것은 많은 탄소를 함유하고 있습니다. 그러나 토양에는 원칙적으로 미생물에 의해 분해되어 대기로 방출 될 수없는 토양에는 탄소가 없습니다. 토양의 본질과 특성의 최신판 2016 년에 출판 된 Lehmann의 2015 년 논문을 인용하고“토양 부머스의 본질과 기원에 대한 우리의 이해는 세기 초부터 크게 발전하여 오랫동안 허용되는 개념을 수정하거나 포기해야합니다.”
.그러나 오래된 아이디어는 매우 재정이 될 수 있습니다. 토양 과학 분야의 외부에서는 Humus의 죽음에 대해 들었습니다.
매장 약속
토양 과학자들이 정확히 토양이 무엇인지 재발견 한 동시에, 기후 연구자들은 대기에서 증가하는 이산화탄소가 기후를 빠르게 따뜻하게하고 잠재적으로 치명적인 결과를 낳았다는 것을 밝혀냈다.
생각은 곧 토양을 거대한 탄소 싱크로 사용하는 것으로 바뀌 었습니다. 토양에는 거대한 양의 탄소가 포함되어 있습니다. 지구 대기보다 탄소가 많고 모든 초목이 결합되었습니다. 그리고 쟁기와 같은 특정 관행은 인류의 역사를 통해 농민이 1,330 억 톤의 탄소를 대기로 방출했습니다. 토양은 또한 식물이 죽고 뿌리가 분해 될 때 토양도 탄소를 차지할 수 있습니다.
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과학자들은 우리가 많은 양의 대기 탄소를 토양으로 다시 동축하여 기후 변화의 손상을 약화 시키거나 역전시킬 수 있다고 제안하기 시작했습니다.
.실제로, 이것은 어려운 것으로 판명되었습니다. 토양을 경작하지 않고 작물을 심는 탄소 상점을 늘리는 초기 아이디어는 대부분 평평 해졌습니다. 농민들이 경작을 건너 뛰고 대신 뚫린 씨앗을 땅에 뿌렸을 때, 탄소 저장소는 상부 토양 층에서 자랐지 만 더 낮은 층에서 사라졌습니다. 대부분의 전문가들은 이제 관행이 토양 내에서 탄소를 증가시키지 않고 재분배한다고 생각하지만 수질 및 토양 건강과 같은 다른 요인을 개선 할 수 있습니다.
.Harnessing Plants 이니셔티브와 같은 노력은 토양 탄소 격리와 같은 것을 나타냅니다.
Salk Institute의 과학자 팀이 아이디어를 생각해 냈을 때 이니셔티브가 나타났습니다. 그들의 계산에 의해, 널리 자라면, 그러한 식물은 인간이 매년 대기에 추가하는 이산화탄소의 최대 20%를 격리시킬 수 있습니다.
Salk 과학자들은 많은 식물 뿌리에 의해 생성되는 Suberin이라는 복잡한 코르크와 같은 분자를 제로화했습니다. 1990 년대와 2000 년대의 연구는 수베린과 유사한 분자가 토양의 분해에 저항 할 수 있다고 암시했다.
화려한 마케팅을 통해 Harnessing Plants 이니셔티브가 주목을 받았습니다. 2019 년 최초의 기금 모금은 3,500 만 달러가 넘었습니다. 작년에 수십억 명의 Jeff Bezos는 그의“Earth Fund”에서 3 천만 달러를 기부했습니다.
그러나 프로젝트가 추진력을 얻었을 때, 그것은 의심 자들을 끌어 들였습니다. 한 그룹의 연구원들은 2016 년에 아무도 수베린 분해 과정을 관찰하지 않았다고 언급했다. 그 저자들이 관련 실험을했을 때, 그들은 수베린의 대부분이 빠르게 부패한 것을 발견했습니다.
2019 년에 공장 유전학 자이자 Harnessing Plant Initiative의 프로젝트 리더 중 하나 인 Joanne Chory는 TED 회의에서 프로젝트를 설명했습니다. 같은 회의에서 연설 한 캘리포니아 대학교 (University of California)의 토양 과학자 인 Asmeret Asefaw Berhe는 Conder를 지적했다. 현대 토양 과학에 따르면 Suberin은 탄소 함유 화합물과 마찬가지로 토양에서 분해되어야한다고 지적했다. (미국 에너지 과학 국을 이끌 기 위해 지명 된 Berhe는 인터뷰 요청을 거부했습니다.)
같은시기에 켄터키 대학교의 토양 연구원 인 한나 포 펜 바르거 (Hanna Poffenbarger)는 다른 프로젝트 리더 인 Wolfgang Busch가 워크숍에서 연설 한 후 비슷한 의견을 들었습니다. Poffenbarger는 Busch에게 말하는 것을 회상합니다.
매사추세츠 주 우즈 홀 (Woods Hole)에있는 우드웰 기후 연구 센터 (Woodwell Climate Research Center)의 토양 과학자 인 조나단 샌더 먼 (Jonathan Sanderman)이 트윗했을 때이 프로젝트에 대한 질문은 올해 초 공개적으로 나타났다. 수베린에 관한 중요한 새로운 문헌이 빠졌습니까?” 또 다른 토양 과학자는 다음과 같이 응답했습니다.“아, 문헌은 다른 모든 유기농 공장 구성 요소와 마찬가지로 수베린이 분해 될 것이라고 제안합니다. @salkinstitute 가이 전제에 대한 하네스 플랜트 이니셔티브를 기반으로 한 이유를 결코 이해하지 못했습니다.”
Busch는 인터뷰에서“깨지지 않는 생체 분자는 없다”고 인정했다. 그러나 수스베린의 분해에 대한 저항에 관한 출판 된 논문을 인용하면서 그는“우리는 수베린에 관해서는 여전히 낙관적이다.”
.그는 또한 Salk 연구원들이 Suberin을 강화하기 위해 병행하여 추구하고있는 두 번째 이니셔티브를 언급했다. 그들은 토양에 더 깊이 탄소를 쌓을 수있는 더 긴 뿌리로 식물을 설계하려고합니다. Sanderman과 같은 독립적 인 전문가들은 탄소가 더 깊은 토양 층에서 더 오래 고정되어 잠재적으로 더 단단한 개념적 근거에 그 솔루션을 넣는 경향이 있다는 데 동의합니다.
Chory와 Busch는 또한 각각 Berhe 및 Poffenbarger와의 협력을 시작했습니다. 예를 들어, Poffenbarger는 Suberin이 풍부한 식물 뿌리를 포함하는 토양 샘플이 다양한 환경 조건에서 어떻게 변하는 지 분석합니다. 그러나 Poffenbarger는이 연구조차도 수스베린이 얼마나 오래 걸리는지에 대한 질문에 대한 답변은 없을 것이라고 Poffenbarger는 말했다.
Salk 프로젝트를 넘어서, 운동량과 돈은 토양의 장기 탄소 격리 및 저장에 의존하는 다른 기후 프로젝트를 향해 흐르고 있습니다. 예를 들어, Biden 대통령은 4 월 의회에 대한 연설에서 농민들에게 수확이 아니라 현금 농작물 심기 사이의 토양을 육성하기 위해 커버 작물을 심을 것을 제안했습니다. 증거는 커버 작물 뿌리가 무너질 때 일부 탄소가 토양에 남아 있음을 시사합니다. 그러나 수베린과 마찬가지로 지속되는 시간은 얼마나 오래 열린 질문입니다.
.코드에서 버그가 충분하지 않습니다
recalcitrant carbon은 또한 기후 예측을 뒤쫓아 갈 수 있습니다.
1960 년대에 과학자들은 세계 기후의 미래를 예측하기 위해 크고 복잡한 컴퓨터 프로그램을 작성하기 시작했습니다. 토양은 이산화탄소를 차지하고 방출하기 때문에 기후 모델은 토양과 대기와의 상호 작용을 고려하려고 시도했습니다. 그러나 세계적인 기후는 환상적으로 복잡하며 프로그램이 당시 기계에서 실행될 수 있도록 단순화가 필요했습니다. 토양의 경우 과학자들은 큰 것을 만들었습니다. 그들은 토양의 미생물을 완전히 무시했습니다. 대신, 그들은 기본적으로 토양 탄소를 Humus 패러다임에 따라 단기 및 장기 수영장으로 나누었습니다.
기후 변화에 관한 정부 간 패널이 널리 읽히는 보고서에 사용하는 모델을 포함하여보다 최근의 세대의 모델은 본질적으로 초기에 구축 된 Palimpsest라고 말했다. 그들은 여전히 토양 탄소가 장기 및 단기 수영장에 존재한다고 가정합니다. 결과적으로, 이들 모델은 토양에 얼마나 많은 탄소가 달라 붙을 것인지 과대 평가하고 그들이 방출 할 이산화탄소의 양을 과소 평가할 수 있습니다.
지난 여름, Nature 에 발표 된 연구 연구원들이 기후 변화의 장기적인 영향을 모방하기 위해 파나마 열대 우림의 토양을 인위적으로 따뜻하게했을 때 이산화탄소가 얼마나 많은지를 조사했습니다. 그들은 온난화 된 토양이 근처의 포괄되지 않은 지역보다 55% 더 많은 탄소를 방출한다는 것을 발견했습니다. 이는 대부분의 기후 모델에 의해 예측 된 것보다 훨씬 큰 방출입니다. 연구자들은 토양의 미생물이 따뜻한 온도에서 더 활성화되어 증가하여 증가한다고 생각합니다.
세계의 대부분의 토양 탄소가 열대와 북부 붕소 구역에 있기 때문에이 연구는 특히 낙담했습니다. 그럼에도 불구하고, 주요 토양 모델은 대부분의 연구가 역사적으로 수행 된 미국 및 유럽과 같은 온대 국가의 토양 연구 결과와 교정됩니다. Lehmann은“우리는 높은 위도와 열대에서 꽤 나쁜 일을하고 있습니다.
온화한 기후 모델조차도 개선이 필요합니다. 찢어진 동료들은 올해 초 예측과는 달리 캘리포니아 숲의 깊은 토양 층이 5 년 동안 따뜻해 졌을 때 탄소의 약 3 분의 1을 방출했다고 보도했다.
궁극적으로, Torn은 Torn은 토양을 실제로 그와 더 가까운 것으로 표현해야한다고 말했다. 그러나 더 작은 단계조차 환영 할 것입니다. 단일 클래스로 미생물을 추가하는 것만으로는 대부분의 모델에서 큰 진전이 될 것이라고 그녀는 말했다.
비옥 한 땅
Humus 패러다임이 끝나면 질문은 다음과 같습니다. 무엇을 대체 할 것인가?
중요하고 오랫동안 관대 한 요인 중 하나는 토양 환경의 3 차원 구조로 보입니다. 과학자들은 토양을 대륙, 바다 및 산맥과 동등한 것으로 묘사합니다. 이 복잡한 미세 지리학은 박테리아 및 곰팡이와 같은 미생물이 어디로 갈 수 있는지, 어디로 갈 수 없는지를 결정합니다. 그들이 접근 할 수있는 음식과 한계가 무엇인지
Pett-Ridge는“토양 박테리아는 큰 유기 물질에서 10 미크론에 불과하지만, 분해를 원하지만 미네랄 클러스터의 반대편에있다”고 말했다. "말 그대로 행성 반대편에있는 것처럼 보입니다."
새로운 토양 패러다임의 또 다른 관련이 있고 잘 이해되지 않은 성분은 토양 내 탄소의 운명입니다. 연구자들은 이제 토양에 들어가는 거의 모든 유기 물질이 미생물로 소화 될 것이라고 믿는다. Sanderman은“이제 토양 유기물은 다양한 정도의 분해로 식물 물질의 느슨한 조립 일뿐 아니라 분명합니다. 그런 다음 일부는 이산화탄소로 대기로 호흡됩니다. 남아있는 것은 다른 미생물에 의해 먹을 수 있습니다. 또는 약간의 점토에 결합하거나 토양 골재 내부에 갇힐 수 있습니다. 미생물의 관점에서 볼 때 도시만큼 크고 요새만큼 뚫을 수있는 다공성 입자 덩어리. 탄소 동위 원소에 대한 연구에 따르면 많은 탄소가 수세기 또는 더 오래 토양에 꽂을 수 있습니다. Humus가 안정화를하지 않는다면 아마도 미네랄과 골재가 될 것입니다.
토양 과학이 새로운 이론에 정착하기 전에 의심 할 여지없이 더 놀라운 일이있을 것입니다. 프린스턴 대학교 (Princeton University)의 한 연구자들이 미세 유체 장치를 사용하여 단순화 된 인공 토양 (본질적으로 유체 및 세포의 비트를 주위로 이동하기위한 작은 플라스틱 채널을 건설 한 최근 연구원들에 의해 전달되었을 수 있습니다. 연구원들은 비트의 점토로 만든 골재 내부에 넣은 탄소가 박테리아로부터 보호된다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들이 소화 효소를 첨가했을 때, 탄소는 골재로부터 해방되어 빠르게 굽 혔다. “놀랍게도, 효소, 박테리아 및 갇힌 탄소 사이의 관계를 아무도 그려지지 않았다”고 연구를 주도한 엔지니어 하워드 스톤 (Howard Stone)은 말했다.
Lehmann은 진보적 인 분해 단계에서 안정적이고 불안정한 탄소의 오래된 이분법을 탄소의 "토양 연속체 모델"으로 대체하기 위해 추진하고 있습니다. 그러나이 모델과 다른 사람들과 같은 다른 모델은 완전히 예측하는 것보다 더 개념적이지 않습니다.
연구원들은 토양 과학이 고전적인 패러다임 전환의 한가운데에 있다는 데 동의합니다. 아무도 아는 것은 필드가 어디에 착륙할지 정확히 알 수 있습니다. Yale University의 토양 과학자 인 Mark Bradford는“우리는 개념적 혁명을 겪고 있습니다. “우리는 아직 새로운 성당을 얻지 못했습니다. 우리는 튀어 나온 많은 교회들이 있습니다.”
수정 : 2021 년 7 월 28 일
이 기사는 SALK의 팀을 인정하여 Suberin이 풍부한 식물을 사용하여 토양에서 탄소를 격리시키는 아이디어로 수정되었습니다.
