农田与气候变化：与沃尔夫冈·布施的对话

数十亿年来，植物及其祖先蓝细菌一直是地球上强大的变革推动者。它们释放氧气并储存二氧化碳，改变了生物圈的化学组成。它们在陆地上定居，并允许动物生命随之而来，改变了进化的进程。

现在，分子生物学家沃尔夫冈·布施希望将植物重新塑造成稳定剂，以抵消人类向环境中排放的巨量气候变暖的二氧化碳。作为加利福尼亚州拉霍亚索尔克研究所“利用植物倡议”的一部分，布施正在实施一项大胆的计划，改造主要农作物，使其生长出更深、更大的根系，在收获后将这些富含碳的根系留在土壤中。当我们人类努力减少碳排放时，植物将忙碌地伸出援手。

这个想法面临的一个根本挑战是，作物的浅层根系通常会在一年中腐烂并释放大部分碳。“利用植物”团队在乔安妮·乔里（Joanne Chory）的指导下，提出了一个巧妙的解决方案。研究人员正在改造植物，使其根系中产生软木脂（软木的主要成分）。软木脂顽固地抵抗分解，因此这些“索尔克理想植物”的根系可以在土壤中停留极长时间，而不会将碳重新释放到空气中。

“利用植物倡议”要取得成功，计划的许多不同部分必须恰到好处地结合在一起。植物必须高效有效地埋藏碳。改良后的作物必须提供与以前相同的种子产量。农民需要全球范围内接受这些作物。世界其他地区仍需继续努力减少碳排放，因为仅仅依靠植物无法拯救我们。

另一方面，农业的巨大规模为大规模脱碳提供了独特的机会。布施和他的同事们因此正全速前进（尽管遇到了一些新冠疫情造成的障碍），以查明碳固存玉米和小麦是否能帮助我们降低气候变化的温度，同时也能为地球贫碳的土壤补充能量。以下是经过编辑的我和布施的对话。

是什么吸引您想利用植物将二氧化碳埋藏在地下的想法？

我研究根系生长的遗传和分子基础已经很久了。我将近十年前在维也纳建立了我的实验室。然后三年前半我搬到了索尔克研究所。我一直以来的主要兴趣是植物基因中决定根系深浅以及它们如何响应环境的因素。

就在我与研究所谈判的时候，伊丽莎白·布莱克本（索尔克当时的院长）问教职员工：“你们想用你们的基础研究解决的最重要的问题是什么？”植物学系教职员工经过深思熟虑后给出了答案：植物非常擅长捕获碳，所以他们思考如何利用这种能力来应对气候变化。他们认为，我也认为，这是世界上最紧迫的问题。

这和您当时正在做的工作吻合吗？

这真是个巧合。索尔克研究所的主要工作（“利用植物倡议”）与根系有关。我们正在努力将更多的碳储存在根系中，使其更深、根系质量更大，并生产诸如软木脂等分子，以使碳在土壤中停留更长时间。这非常符合我的兴趣。我从中学起就一直在担心气候变化。“利用植物倡议”为我们所有人提供了一个机会，将我们的研究专长与我们认为最紧迫的问题相结合。

很多人都谈论植树，但这是我第一次听说用作物来对抗气候变化。这个想法从何而来？

我们的思考过程是不断演进的。起初，我们考虑在边际土地上利用植物固碳，并专注于那些能在边际土地上生长的植物。我们会在那里为土壤和碳固存做一件好事。

但很快我们就意识到，关键在于种植面积。如果只关注（少量）边际土地，我们增加其固碳能力潜力有限。此外，每个植物物种的生活方式都不同，如果要研究许多不同物种的遗传学，那需要付出很大的努力。

后来很明显，我们应该把重点放在农作物上，因为只有少数几种作物占据了广阔的土地。全球四种最主要的作物种植面积超过6亿公顷。而且已经存在一个分销系统。每年都有人种植并更新种子。已经有一个市场驱动，同时也有政府驱动的激励系统，比如作物保险。

有了如此广阔的土地可以利用，经过改造的作物能在多大程度上抵消人类碳排放？

我们做了一个粗略的估算。考虑到已发表的生物量数据和作物种植面积，它们地上部分能产生多少生物量？考虑到根系与地上部分的比例，植物有多少是根，有多少是茎？

我们对我们认为可以处理的五种目标作物进行了这些计算：玉米、大豆、小麦、水稻、油菜。我们设想在未来的某个时候，70%的目标作物可以增强碳固存特性。然后我们问，如果我们能稳定根系生物量的30%会发生什么？

如果你计算一下，你会得到每年5.5千兆吨的二氧化碳，这大约是每年泄漏到大气中的（人为排放）盈余的30%。我不得不说，这只是一个非常粗略的计算，但它告诉我们，如果我们能让植物变得更好，它将产生全球影响。即使只有10%的生物量得到稳定，你也能固存1.8千兆吨的二氧化碳。

从本质上讲，我们似乎每年可以抵消目前排放到大气中过量二氧化碳的10%到30%。所以，这让我们感到鼓舞。

这些数字是巨大的，但要实现这一目标，您还需要对我们种植的作物进行巨大的改变。实现这一目标需要哪些步骤？

这基本上就是驱动我们的问题。我们和其他人需要做更多的研究，才能知道我们究竟能固存多少。有太多的未知数。我们需要知道碳的停留时间（它被埋藏了多长时间）。土壤化学和当地微生物群落将发挥作用。

我们知道我们正在研究的（植物根系）特性可以发挥作用，但我们希望获得更定量的模型。我们已经开始了实地研究——与土壤科学家、土壤生物化学家、土壤地球化学家合作——系统地研究这些问题。时间紧迫，所以我们正在开发我们的（工程植物）特性，同时也在进行更好的量化。

本月我们将开始两项田间试验。我们希望能有更多，但新冠疫情让这变得非常困难。明年我们希望有10个田间试验点，然后是15个，甚至更多，这取决于我们是否能获得额外的资金。我们将在几周内种植我们的第一批植物。我们的一个田间试验点将位于亚利桑那州尤马；另一个将靠近加利福尼亚州中央谷。这些都是与商业伙伴的田间试验点。从长远来看，我们希望与几所大学合作开展这项工作。

碳被埋藏的时间长短这一核心问题如何解决？农田能将碳保持足够长的时间以发挥作用吗？

所以，我们从文献中得知，更深的根系会导致缓慢的分解速率。而软木脂或其他潜在的稳定化合物会进入长寿命的碳库，这些碳库可以与土壤矿物质相互作用。这些碳库被认为是稳定数十年到几个世纪的。

几个世纪！我真没想到。

根系深度和根系深度分布是你能将多少碳储存在土壤中长寿命碳组分中的重要因素，包括软木脂。我们知道这会取决于土壤化学。埋藏碳的数量和停留时间将很大程度上取决于这些变量。这就是为什么我们需要开展实验，以便更好地量化这些东西。

好的，我还在想农田能吸收的碳总量是多少。你能年复一年地在那里埋藏更多的碳吗？

一个基本考量是，在过去一个世纪的工业化、单一作物农业中，土壤碳含量已大幅减少。我们知道存在巨大的潜力，因为如果土壤中以前存在碳，我们至少可以补充它。在进行更多建模之前，我无法给出具体数字。但肯定有很多年可以实现潜在的碳固存。

在开发和测试用于农业碳固存的基因工程深根植物方面，你们进展如何？

在第一年（田间试验）中，我们没有种植任何转基因植物。我们基本上是利用我们已知的作物，量化在田间条件下根系的不同特性。我们估计我们的第一批（软木脂增强型）试验品将在明年进入田间试验点。我们对这些改变潜力的主要研究大约会在三年后得出。

你们是否已经进行了研究，以确保软木脂增强型作物与农民现在种植的作物一样好——在产量、质量等方面相似？

这是一个非常重要且有趣的问题。我们目前正在尝试在我们的合作伙的帮助下，对这些问题进行初步解答。我们正在研究是否存在权衡。

一个令人担忧的权衡是根系质量与产量分配（根系质量的增加会以牺牲产量为代价）。我认为文献中有充分证据表明这并非固定的权衡。我们将尝试许多不同的品种。我们将评估储存更多碳在根系中的基因配方，同时我们也将测量产量。

尽管受到新冠疫情影响，我们刚刚完成了一个10,000平方英尺温室的建设，这将使我们能够在类似田间条件下种植我们感兴趣的作物——玉米、大豆、小麦、水稻、油菜。不是真正的田间条件，但类似田间条件。

让我们保持乐观，假设实验进展顺利。您如何让农民大规模种植固碳作物，以产生有意义的影响？

我们已经开始与许多不同的农业综合企业公司进行洽谈。我们都是“利用植物倡议”中的活跃科学家。我们经常受邀发表演讲，参加许多会议。这个领域的大多数公司都非常了解我们的活动。其中一些公司表示有兴趣进一步讨论对他们重要的问题。

我们知道，如果没有与大型种子公司和大型农业综合企业合作，我们无法达到所需的规模。如果没有种子公司允许我们将种子分发给农民，并且如果没有感兴趣的农民，这个项目将永远无法成功。我们也在与非政府组织（NGO）交谈，因为世界上有些作物和地区并非由大型农业公司主导。我们正在努力宣传，以便非政府组织和公司能主动联系我们，但我们也正在与尽可能多的组织交谈，看看我们是否能合作。

未来，当涉及到碳信用额或其他政府可能补偿农民在土壤中储存碳的方式时，可能会有市场激励。我们正在探索所有这些，因为这不仅仅是一个科学项目。我们真的希望它能成功。

那么消费者方面呢？我设想未来有些顾客可能会寻找带有“此产品采用对抗温室效应作物生产”之类的标识的产品。

如果能成为消费者的选择，那将是极好的。我们也在考虑这一点。我们有“索尔克理想植物”这个词。如果这能成为一个标签，消费者在某个时候可以说，“好的，我将做出这个选择”，那将是极好的。

“利用地球倡议”如何与相关概念相结合，例如使用部分燃烧的植物（生物炭）来增加土壤的碳含量？这些方法是否具有潜在的协同效应？

当然。就在加州实施新冠疫情封锁之前，我们在索尔克举办了一场名为2020年植物碳减排研讨会。我们希望将致力于解决碳固存问题的科学家们聚集在一起，例如生物炭、强化岩石风化、林业以及海洋和湿地中增强的碳吸收。

很多这些方法都可能很重要。我们只是从遗传学的角度来处理这个问题，因为遗传学已经多次彻底改变了农业。通过以对人类有益的方式改变植物，有巨大的潜力产生全球影响。但是，其他一切，比如免耕农业（允许更多有机物质留在土壤中）以及用不同材料补充土壤，也都是极好的。方法越多越好。

谁在支持这类研究？您有没有获得任何州或联邦政府的资助？

目前还没有。我们正在联系资助机构，看看是否符合条件。[政府]资助目前的结构尚不能直接说：“哦，我们想利用植物进行碳固存。”我们是走在前沿的。但我们希望通过提供数据和证据证明我们确实可以做到，从而让联邦政府能够为此投入资金，并允许其他团体开展这项工作。

我们很幸运去年获得了大胆项目的资助（由TED非营利组织资助）：一笔大额赠款，用于完成我们认为必须做的事情，并向其他人展示其潜力。我希望我们能产生巨大影响的一部分是，不仅向科学家，而且向潜在的资助机构和政府表明，[农业资助]除了作物产量和抗逆性之外，还有其他方面。作为一个社会，我们应该为此投入资金，因为它确实很重要，而且也切合实际。

正如您所说，您改造全球农作物的想法相当超前。您最担心哪些障碍？

我认为主要的不确定性是，如果我们改变作物品种，是否会存在权衡？农民会不会不喜欢它？在我们掌握数据之前，我们无从得知。但我们知道我们不需要彻底改变这些特性。即使是小小的改进也会有所帮助。我们认为，仅仅通过加深根系并增加其中的软木脂含量，就能产生巨大影响，这一点毋庸置疑。因此，我们对此持乐观态度。

另一个未知数是政府是否会相信应对气候变化是一项重要任务。他们是否会采取实际行动，改变我们现有系统的激励机制，以产生积极影响？

就我个人而言，我希望能够建立一个在土壤中储存碳的激励系统，以及良好的量化协议。这确实取决于全球各国政府。在主要的农业区域，已经有很多对农民的激励措施；这只是激励措施“类型”的转变。一些国家可能会说：“我们并不真正关心为碳减排提供激励。”这是一个风险。另一方面，我充满希望，因为似乎越来越多的政府愿意思考这个问题。

显然，如果您不是从根本上对世界将加紧应对气候变化抱有希望，您就不会把精力投入到这样的项目中。

是的。我们这里的所有人都非常热情和积极！我每天都为能做这件事而感到兴奋。

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