加利福尼亚州内华达山脉的创纪录积雪正在融化，再次露出令人惊叹的高山草甸。随着气温升高，潮湿的土壤升温，草地加速运转，将碳从地下循环到大气中，然后再返回，这是一种对地球健康至关重要的模式。科学家和土地管理者正前往山区，测量16个精心挑选的草地中的温室气体活动——其中一些是最近修复的，另一些则因一个世纪的放牧和伐木而退化。
这项为期四年的研究是加利福尼亚州减少碳排放的开创性努力的一部分。该项目旨在确定修复后的草地是否比退化的草地储存更多的碳。结果可能对加利福尼亚州和地球至关重要。在全球范围内，土壤储存的碳量是植被和大气层总和的三倍。如果研究表明修复后的草地可以改善碳储存，那么它可能会刺激世界各地的草地修复。
这项耗资480万美元的项目也有一个不寻常的转折。它由加利福尼亚州空气资源委员会资助，该委员会想知道修复后的草地每英亩每年是否能储存足够吨当量的二氧化碳，从而有资格在加利福尼亚州的碳排放交易市场中获得碳信用额度。加州鳟鱼协会的塞拉山水源地主任马克·德鲁（Mark Drew）说：“这有点书呆子气，但我们准备用高山草甸做一些从未做过的事情。” 他正在协调这项工作。
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草地是土壤碳研究的新领域。当植物利用太阳能从大气中吸收二氧化碳并制造自己的食物时，碳会进入土壤。当植物死亡并被微生物分解时，更多的碳会进入地下。然而，活着的植物根部会排出二氧化碳，微生物在分解死亡的植物物质时也会排出二氧化碳，从而形成土壤吸收和排放碳的循环。根据几项估计，农业用地在被无情耕种时，通常会损失其原始碳储量的相当一部分，高达 50% 至 70%。科学家怀疑草地也可能会失去碳，尤其是在它们因伐木和放牧活动而退化时，这些活动会压实土壤、侵蚀溪流并耗尽本地植物和动物。
加利福尼亚州比肖普的塞拉山脉上的晨云。图片来源：大卫·H·卡里尔 盖蒂图片社
一些科学家还认为，全球变暖本身正在改变土壤碳储量。由荷兰生态研究所的托马斯·克劳瑟领导的12月发表在《自然》杂志上的一项研究发现，气温上升正在刺激土壤碳净损失到大气中。温暖的土壤加速了通量，将更多的碳送入地下，并将更多的二氧化碳排放回大气中。随着温度升高，微生物活动增加，分解和呼吸作用超过光合作用，尤其是在世界上较冷的地方。“那时损失开始发生，”克劳瑟说。这些变化可能会推动碳-气候反馈循环，从而加速气候变化。
早在 2014 年，当空气资源委员会宣布为塞拉山草地的碳通量研究提供资金时，德鲁就已经开始与几个草地恢复小组合作。各种利益相关者没有争夺少量资金，而是决定携手合作——博士科学家与牧场主和土地所有者并肩工作。德鲁说，他们可以共同建立一个比任何一个项目都大得多的数据库。
该小组已经知道，草地恢复通常使用重型设备来填充辫状河道并重建功能正常的洪泛区，具有明确记录的生态系统效益。将溪流恢复到其自然蜿蜒状态并提高地下水位，可以为金鳟鱼、柳莺和其他濒危物种恢复栖息地。恢复草地还可以提高其蓄水和释放水的能力，这对一个 60% 以上的供水依赖于塞拉地区的州来说是一个福音。在空气委员会资助的推动下，草地合作伙伴着手研究恢复对碳储存的作用。
这项研究涵盖了从北部的拉森峰底部到靠近洛杉矶的地区。草地的海拔高度从 3,045 英尺到近 8,700 英尺不等；它们包括花岗岩、火山岩和变质岩土壤。合作关系的一个关键方面是制定精确的程序，以确定何时以及如何测量和分析草地温室气体。尽管科学家已经建立了监测森林和湿地中碳通量的协议，但高山草甸中不存在任何协议。“我们是小白鼠，”德鲁说。
工作刚刚开始，并将持续到冬季关闭通道。数据收集从将一段八英寸的 PVC 管垂直推入地下以密封一小段草地开始，然后盖住圆柱形腔室。一个监测器将一个注射器插入盖子上的一个小孔中，从中抽取捕获在内部的草地气体样本。通过在几个月内重复进行三个间隔 15 分钟的样本采集，科学家可以将环境空气与直接从草地中排出的气体进行比较。气体浓度变化的速率决定了土壤的二氧化碳排放率。研究人员还在通过提取核心样本来监测土壤碳。将修复后的草地的数据与地理位置相似的退化地点进行比较，将显示修复的效果。
研究人员从内华达大学雷诺分校（U.N.R.）进行的一项有限研究中获得了一些线索。科学家们收集了在 2001 年至 2016 年间修复的北塞拉山脉七个草地的土壤样本，并将修复后的地点与相似的相邻未修复地点配对。初步结果发现，修复后的草地中的土壤碳平均增加了 20%，其中一个地点的记录增幅超过 80%。与 U.N.R. 的土壤科学家和助理教授本·沙利文合作的研究助理科迪·里德说，草地在修复后立即开始储存碳，并在 15 年内显着增加。调查似乎表明，修复后的草地增加了土壤碳，并减缓了向大气的流失。
另一项有限的研究考察了草地土壤中水的影响。史蒂夫·哈特是加利福尼亚大学默塞德分校的生态学教授，亚利桑那大学的微生物生物地球化学助理教授约瑟夫·布兰金希普研究了一个塞拉山草地，以了解水如何影响二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的通量。他们的发现令他们感到惊讶：二氧化碳的排放不受土壤水分含量的影响，甲烷的封存很普遍，尤其是在潮湿草地的干燥一侧。2014 年的研究还发现，植物物种的丰富度和土壤碳浓度似乎比土壤水分在解释碳通量方面更重要。
现在要知道这些结果是否会在更大的塞拉山范围内复制还为时过早。经过一整年的研究，德鲁和他的合作伙伴们正在深入研究新的实地考察季节。在修复后的草地中发现土壤碳的急剧增加在全球范围内产生的影响有限，因为如此强大的力量正在发挥作用。但是，对于恢复这些景观而言，这种收益可能是一个重要的额外回报。塞拉山草地合作伙伴关系也可以为其他在具有更大潜力影响碳方程式的截然不同的景观中工作的人提供榜样，哈特说。如果修复后的草地确实可以储存更多的碳，那么它们可以在加利福尼亚州的碳市场中发挥作用。塞拉合作伙伴将在 2019 年之前提交他们的结果。“我们准备做一些真正独特的事情，”德鲁说。“让我们看看它会把我们带到哪里。”