“近百年来，人类的农业活动，正在唤醒土壤深处沉睡的古碳，这可能为未来减排固碳带来新的挑战。”日前举行的中国农业农村低碳发展报告发布会上，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心学术委员会主任秦树平说。
与大部分人认知不同的是，人类耕作对土壤的影响，不止在浅层，那些被认为一直在沉睡的深层土壤，也正在越来越多地受到人类活动的影响，在接受新京报记者采访时，秦树平介绍，他和团队在近7年的研究中发现，氮肥施用，使得土壤深处的古碳正在被唤醒和活化。
关键带深层有机碳生物地球化学过程不易受地上人类活动的影响。受访者供图
土壤深处，沉睡着大量惰性古碳
在人类的农业活动中，粮食、蔬菜等作物的耕作层，普遍在20厘米左右，果树的根系更深，但大部分根系也集中在表层。
“2米以下的土壤，被认为是深层土壤，一般认为，不会受到耕作活动太大的影响。”秦树平说。
植物生长中，碳和氮都是最重要的元素，是碳水化合物和蛋白质的主要成分之一。土壤中的有机碳，也一直被认为在维持土壤肥力方面起到决定性作用。
而在深层土壤中，同样存在大量的碳。秦树平介绍，这些碳和更深处的煤炭、石油等来源类似，都是远古时代的地质变化中，动植物在时间的长河中被淹没，逐渐积累而成的。但和土壤浅层容易被利用的碳相比，深层的碳通常活性更低，也更稳定，可以称之为“沉睡的古碳”。
在过去多年中，秦树平和他的同事，研究了地下2米到48米的土壤层，并在河北石家庄栾城，建造了一座48米深、直径2.8米的“农田关键带观测竖井”，这口纯人工挖掘的深井，是全球观测要素最全面、观测深度最大的原位观测设施。
在这座观测井中，可以清晰地观测到土壤深处的情况，“这里缺乏氧气且微生物活性低，所以碳受到的影响也更小，同时，在漫长的掩埋中，那些更容易被微生物分解的碳已被分解殆尽，留下的是惰性极强的部分，可以比喻为‘难啃的硬骨头’。”秦树平说。
百年农业，正在影响深层的土壤
研究土壤深处的碳，源于一次偶然的想法。秦树平告诉记者，2017年左右，他在给孩子讲一个“唤醒地底沉睡巨龙”的故事时，忽然想到，地底沉睡的碳，其实和故事中的巨龙有些相似，它们都在土壤深处，一旦唤醒，它们也都会带来烈焰和高温——巨龙会喷火，而深层的碳被唤醒，就有可能变成温室气体，排放到大气中，加剧温室效应。
土壤是一个巨大的碳库，深藏着人类尚不能准确估算的碳。在人类耕作的浅层土壤中，碳被长期利用，变成土壤肥力维持和温室气体排放的源头之一。但深层的碳，真的在沉睡吗？
通过48米深的观测井，秦树平、胡春胜等科学家研究发现，这些原本被认为一直在沉睡的碳，其实已经渐渐开始苏醒和活化，而引起这一变化的，是人类的氮肥施用。
人类成规模施用氮肥，大约有近百年的历史。和碳一样，氮是植物生长必备的元素，也是蛋白质合成的主要来源。
在研究中，研究人员发现，人类施用到土壤中的氮肥，并没有完全被利用，有一部分以铵态氮的形式被土壤吸附，保留在浅层土壤中，还有一部分在各种因素的作用下，变成了硝酸盐。而硝酸盐不易被吸附，会在土壤中不断渗漏，一直渗漏到土壤深处。
“碳和氮是一对互相影响的元素，一个是氧化剂，一个是还原剂。在土壤深处，碳本来是相对稳定的，这里缺乏氧气可以让碳氧化，也缺乏足量的微生物利用它。微生物和其他生物一样，需要碳和氮作为生命的营养元素，以前缺乏氮，微生物不多，古碳又不易利用，所以整体保持稳定。但氮元素的加入，相当于给了微生物一个‘启动资金’，使得微生物群落开始增多，那些不易被利用的碳，也开始被微生物利用。沉睡的碳，就开始被唤醒了。”秦树平说。
古碳苏醒，会带来怎样的变化
和石油、煤炭一样，沉睡在土壤深处的古碳，是地球上的不可再生的资源。当它们会被唤醒，是否意味着，人类可以利用它们，而唤醒之后，又会带来怎样的变化？
秦树平介绍，人类目前的技术，对土壤深处的古碳，利用的可能性很小。“农业耕作中，几乎不会利用到2米以下的土层，所以直接利用是不太现实的。”
但这并不意味着没有影响，秦树平介绍，“土壤深处的碳本身发挥着许多特殊的作用，比如净化地下水。雨水等地表水在渗漏到地底深处的时候，这些碳会起到净化作用，而一旦土壤深层的碳减少，净化作用就会降低，这是有可能出现的变化。”
更重要的是，土壤中的古碳活化是和固碳相反的过程，“土壤有固碳能力，这对减少温室气体排放有一定的帮助。但反过来，土壤中的碳和人类施用的氮发生反应，就会活化，生成二氧化碳和氧化亚氮。这两种，都是温室气体。”
地下2米以下的土壤中，古碳活化带来的温室气体，会不会逐渐升腾，离开土壤，释放到大气中？
秦树平介绍，这正是未来要继续研究的目标，“也可能已经开始向大气中释放，现在温室效应中，可能有地底古碳活化释放的部分，也可能未来会释放出来，进一步加剧温室效应。但在目前，这些都还是猜想和推测，等待下一步研究和揭示。但不管是哪一种情况，这个以前没有被认识到的情况，都值得重视。”
地底古碳的活化，也并不完全是负面影响，秦树平说，“在科研和未来生产中，也有一些值得期待的东西，比如地底微生物是如何利用惰性古碳的，这可能会发掘出高效利用和转化碳的新微生物，为未来的农业生产带来新的技术或产品。”
新京报首席记者 周怀宗
编辑 张树婧 校对 柳宝庆
