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碳都去哪兒?—《土壤的救贖》

大家出版_96
・2016/09/13 ・3062字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

農耕、畜牧與土壤

我們很容易誤以為土壤碳流失是相對比較現代的災難,是窮國人口躍增、富國實行工業化農業的結果。然而事實並非如此。人類的生活方式一從狩獵採集演變成農耕,就開始改變土壤和大氣中二氧化碳的自然平衡。定耕農業大約在一萬至一萬三千年前發源於世界各地的大河谷,像是底格里斯河、幼發拉底河、印度河和長江。公元前五千年左右,人類開始製造簡單的種植、收割工具。最早的工具只是挖掘用的木棍,不過在公元前二千五百年,印度河河谷已經有人用動物來拉犁了。

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圖/By Ananth BS – originally posted to Flickr as Annadatha, CC BY 2.0, wikimedia commons.

犁田看似沒有害處,而且帶著撫慰人心的田園氣息,尤其是用牛或馬來拉犁的時候。不過拉爾(編註:拉坦.拉爾 (Rattan Lal) 俄亥俄州大學碳管理與吸存中心主任)在 2000 年的一場演講中指出:「由於在自然界中,沒有東西會定期、重複地翻起 15 至 20 公分深的泥土(犁田就會翻到這麼深),因此植物和土壤生物的演化中都沒有經歷這麼劇烈的擾動,也無法適應。」現代的機械化農業加重了這個問題:重型機具把土壤壓得更緊實,也就需要犁得更深,才能鬆動土壤。更多土壤被翻起、曝露在空氣中,土壤碳接觸到氧,結合成二氧化碳,散逸到上層大氣中。這些碳可能已經藏在地面下幾百或幾千年。

畜牧也打亂了碳的平衡。在人類馴養反芻動物之前,這些動物成群結隊在大草原上漫步,啃食草和其他植物的頂端,殷勤地撒下大量肥沃的糞便回報。牠們害怕掠食者,因此緊緊聚在一起,待在一個地點吃草的時間也絕不會太長。然而人類放牧這些牲畜的模式造成了劇烈的變化。動物不再持續在平原上遊蕩,而是被柵欄限制在一個地區,或在牧人與狗的保護下自在地吃草。在圍起的區域中,以及牧人機警的守衛下,牲畜會把地上的草吃得一乾二淨——既然已不再需要提防掠食者,牠們自然會在同一個地方晃,久到足以將植物的根拔起來。

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圖/Tony Fischer@flickr

然而,放任牲畜把草原吃成光禿禿的地面,會阻礙一種偉大的生物過程,也就是當初把碳大量儲存在地下的光合作用。植物吸取空氣中的二氧化碳,把二氧化碳跟陽光結合起來,轉化成植物可以使用的能量,也就是碳基糖。不是所有的碳都由植物消耗,有些是以腐植質的狀態儲存在土壤中,這個穩定的碳分子網路能在土壤裡留存幾個世紀——拉爾指出,腐植質(humus)和人類(human)有相同的字根。

土壤裡的碳有許多好處,包括讓土壤更肥沃,讓土壤形成蛋糕般的質地,內部含有許多小氣室。富含碳的土壤可以緩解乾旱或洪水:下雨的時候,水被土壤吸收、留住,而不是積成水潭或流走。健康的土壤也富含微小的生物(一湯匙裡的數目高達六十億),可以分解隨著雨水滲入土壤的毒素和汙染物。拉爾認為農民不該只因為種植作物而得到報酬,由於健康的土壤對環境有益,所以他們也該因為種出健康的土壤而得到報酬。除了光合作用,沒有其他自然的過程會持續從大氣中移除那麼大量的二氧化碳。人類若要用那麼大的規模來移除二氧化碳,不是所費不貲,就是無法保證安全。光合作用能調控建造生命的碳進入土壤的穩定循環,並產生我們許許多多的生命賴以維生的另一種氣體:氧氣,因此對我們星球上的生命而言,光合作用是最基礎的自然過程。

碳都去哪了?

拉爾和他的同事發展出一種簡單粗略的方式,用來估計美國和全球土壤失去了多少的碳。我到 87 號樣區(附屬自俄亥俄州大學華特曼農業與自然資源試驗所)拜訪他的時候,他指著緊鄰試驗地一側的黑森林邊緣,說:「那片森林是我的基線。我們計算這個樣區和附近地區的土壤失去多少碳的時候,就是拿那片森林的土壤來比較。」他得到美國環保局、農業部、能源部的經費,與世界各地的學生和博士後研究員合作,比較森林地區和農耕地區的碳。

按他的計算,俄亥俄州在過去二百年間失去了 50% 的土壤碳。不過世界上農耕了數千年的地區,土壤碳流失的量遠高於此,高達 80%,甚至更多。總合來看,全球的土壤失去了 726 億公噸的碳。不是所有的碳都跑到天上去了,侵蝕也將一些碳沖進了水路。但即使現在,散逸到大氣的碳仍有 30% 是土地濫用的後果。

而大氣中二氧化碳的量已經達到十分驚人的濃度。2013 年,科學家計算出大氣中的二氧化碳達到 400 ppm,而許多專家認為大氣中的二氧化碳濃度應該比這數字低 50 ppm,才能有適合人類生活的穩定氣候。世界各地都設計、運用了許多乾淨的能源技術降低現代生活方式排放的二氧化碳,從化石燃料到風能、太陽能、生質能、海洋波能,甚至有個異想天開的計畫是利用人群體熱的能量去彌補發電廠不足的發電量。人類也用了許多策略來減少我們消耗的能量,包括提高天然氣汽車的燃料效率、建造產能超過耗能的住宅和辦公室。

大自然的平衡法—光合作用

然而這些措施都無法實際減少大氣中自古累積至今的二氧化碳含量。據說有因應方案,卻很昂貴——美國環保局有個計畫是捕捉大氣中的碳,注入深井中,每噸的花費是 600 到 800 美元。大自然之母有套低科技方案,在政策制定者眼中沒那麼迷人,不過不花一分錢,那就是光合作用,和隨著光合作用自然發展而成的土壤碳。這是我們偉大的綠色希望。

確實,我們必須繼續減少使用化石燃料,用較不浪費能源的方式生活,但我們也得和光合作用合作,別再與光合作用對著幹,這樣才能拿回大氣中超量的碳。農人、牧人、土地管理者、都市計畫者,甚至有院子的人,都得盡力讓植物欣欣向榮,不要有大片光禿的土地,畢竟不毛之地無法進行光合作用。我們得照顧數十億的微生物和真菌,它們會和植物的根交互作用,將碳基糖轉換成富含碳的腐植質。我們還得保護那些腐植質,別讓風、雨水、不智的開發和其他擾動給侵蝕了。

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土壤裡的碳就像一杯水,我們已經喝了半杯以上,但我們可以把更多水倒回杯子裡。有良好的土壤施作,就能扭轉全球暖化。圖/pexel

拉爾說這辦得到,而最有機會的,就是耕作了數千年、消耗了最多碳的地區,也就是非洲撒哈拉以南的地區、南亞和中亞,以及中美洲。他說:「土壤裡的碳就像一杯水,我們已經喝了半杯以上,但我們可以把更多水倒回杯子裡。有良好的土壤施作,就能扭轉全球暖化。」良好的土地管理措施每在土壤中增加 0.9 公噸的碳,就表示大氣中減少了 2.7 公噸的二氧化碳。拉爾相信全球的土壤每年可以隔離 27 億公噸的碳,使得大氣中的二氧化碳濃度每年下降 3 ppm。不過和我談過的其他人對改變的潛力遠比拉爾樂觀(尤其在我找的人離學術界愈來愈遠之後),他們說這目前還是新觀念,科學才剛碰到邊。

拉爾的研究中心和世界各地的試驗地合作(除了俄亥俄州,還有非洲、印度、巴西、波多黎哥、冰島和俄羅斯),針對除去空氣中的碳、重建土壤裡的碳,尋找不同氣候下的土地管理措施與土壤類型的完美組合。他和同事想出如何在全球各地的生態系重建土壤中的碳,其中甚至包括他早年的剋星,奈及利亞。由於世上有許多微氣候,各有不同的衝擊史、人類史或其他歷史,因此他們採用了各式各樣的方式。有件事放諸四海而皆準,那就是必須建立政治意願。由於種種因素,人類要改變很困難。


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本文摘自《土壤的救贖》大家出版


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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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