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生态学家的新神器——茶包

原创
2020-01-17  大科技杂...

用简陋的茶包就可探测北极冻土地带的碳排放。

出门旅游,你一定见过茶包吧,那是酒店为客人们备的。茶叶装在一个小纸袋里,纸是半透的,外面拴着一根细线。泡茶时,你拎着细线,把茶包往杯子里一放;茶泡淡了,就直接拎出来扔掉。

这样一个极其普通的茶包,你可能想象不到,如今在生态学家手里派上了大用场。这么说吧,我们对当今全球最大的生态问题——气候变暖的准确了解,还有赖于这茶包呢。

喝茶喝出来的灵感

小小茶包是如何担负起如此重大的使命的呢?这要追溯到2010年。当时荷兰乌得勒支大学的约斯特·库斯坎普和朱迪丝·萨尼尔是两位研究土壤中植物质分解的生态学家。他们的日常工作是将枯死的植物质材料(枯叶、树枝和其他有机物质)填塞到数百个小袋子里,将袋口缝或粘起来,称重,然后埋到地下;过段时间,挖出袋子,重新称重,以便追踪腐烂的进程。

但这种小袋子里装的枯叶、树枝和其他有机物质,由于种类不同,各类有机物质的比例也不好控制,所以无法用统一的标准测量它们,这样统计出来的它们腐烂进程的数字也很难反映实际情况,其科学性也大打折扣。

在一次喝下午茶的时候,两人坐在一起,抱怨这项工作既耗时又乏味。他们凝视着茶杯底,沉思着说,要是有什么省事点的办法就好了。

茶包!他们灵机一动,突然想到了这个妙主意。使用现成的茶包,不仅省去了所有缝和粘的工作,而且,在世界各地使用的同一种茶包基本同属于一种类型,就像工厂里生产的标准件一样,将为他们的研究提供一套标准的工具。

当微生物(包括真菌和细菌)分解死去的植物时,会释放二氧化碳,这就是通常所说的“腐烂”。植物腐烂的速度,既取决于自身的性质(比如,草叶就比树枝更易腐烂),也取决于环境条件,如湿度、温度、土壤酸度以及土壤中存在的微生物类型等。

腐烂过程一般来说分成两个阶段。第一阶段,所有容易降解的有机物质被微生物迅速分解,这一阶段速度较快;下一阶段速度就慢下来了,留下的都是不容易分解的东西,所以分解时间会长些。

经过多次尝试,库斯坎普和萨尼尔认识到,通过将两种不同类型的茶包埋在一起2至3个月,他们可以同时获取两个阶段的数据。一种茶包装绿茶,绿茶分解迅速,可以用来测量第一阶段的腐烂速度。另一种茶包装红茶,红茶分解缓慢,可用于测量二阶段的腐烂速度。所有腐烂过程统一用这两种茶包的分解速度来衡量;由此,茶包指数诞生了。

用茶包研究北极生态

自2013年他们公开这个方法以来,茶包的使用已在生态学研究中普及开来。2018年,由来自190多个研究机构的研究人员合作,发表了第一份关于土壤中植物质分解的全球比较研究报告。能够进行这样的全球比较,对土壤学家来说是一个巨大的飞跃。

研究人员观察了分布全球336个地点(这些地点分属9个不同生物群落,包括北方森林、赤道地区、地中海和北极冻土地带)的土壤中两种茶包的分解速度。他们发现,红茶的腐烂速度总是比绿茶慢得多,这让他们确信,茶包指数在大不相同的地理区域和生物群落中是起作用的。而且,正如所料,两种茶叶在温暖、潮湿的环境中腐烂更快。

茶包指数为我们研究北极地区的生态提供了便利。众所周知,两极地区的生态对于我们了解全球气候非常关键。北极地区长期处于低温,那里的冻土中植物的腐烂速度一直较慢。长期的积累,使得大量的碳被固锁在冻土里。据估计,全球冻土地带以死去的植物的形式固锁住的碳,是大气中碳含量的两倍之多。历史上,这对于阻止全球气候变暖居功至伟。

但随着全球变暖,这种情况不再。冻土在悄悄解冻,气温升高导致那里的植物生长加快(对阻止气候变暖有利),而沉积到土壤中的植物,腐烂速度也在加快(对阻止气候变暖不利),情况有些错综复杂。我们急需知道,从冻土释放到大气中的碳有多快,影响有多大,会不会形成一个使事态变糟的恶性循环。

茶包实验给我们预警

为了解决这个问题,一个国际合作小组正在北极冻土地带开展茶包实验。研究人员在350多个地方埋下了茶包,目的是了解整个冻土带的植物腐烂速度如何随土壤、气温和湿度的变化而变化。分析正在进行中,虽然最终结论还未出来,但初步结果已足够引起我们警觉。

在科学家预料之中的是,植物腐烂最快的地方,往往也是最温暖和最潮湿的地方。但另外一点却出乎他们的预料。他们采用多个用于研究全球气候变暖的模型所使用的假设,原先预测,那里的植物腐烂速度在经过一阵“爆发”式地加快之后,将会渐渐趋于平稳,但实际情况并非如此。腐烂速度的加快,随着气温上升,似乎没有表现出遏止的倾向。

这就很危险了。我们可能低估了北极地区生态恶化的程度。此外,这也意味着,那些研究气候变暖的模型假设有误,有待更新。这一切对于我们更好地预测气候变暖的后果,制定一个切实可行的应对方案,非常重要。

库斯坎普和萨尼尔从未想过,当初他们为节省劳力的这一小小创新,有朝一日会产生这么大的影响。

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