酷工作：发掘土壤的秘密
导 读
发掘土壤的秘密是件好酷的工作，除了农业生产，土壤学在道路建设、城市规划、污水处理厂、下水管网等都可以发挥加大的作用，随着社会、技术的进步，土壤学的研究和应用越发宽广，从追踪罪犯、人类学家研究历史和气候科学家控制温室效应等。
译者: 陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家）
日期：2017年11月16日
原题: Cool Jobs: Unearthing the secrets of soil
作者：林赛·康克尔（Lindsey Konkel）
出处：https://www.sciencenewsforstudents.org/article/cool-jobs-unearthing-secrets-soil
人们通常将土壤视为压实的泥巴。实际上，土壤中充满了微生物、蠕虫等。它们的成分千差万别，可以帮助到所有人，从追踪罪犯到人类学家、气候科学家等。Jurgute / iStockphoto
脚下的泥土很容易被忽略。它很常见，但并不意味它很无聊，研究人员称其为地球的肌肤。
洛娜·道森（Lorna Dawson）说：“它是地球上最重要的部分，因为它涵盖了所有事物。”她是苏格兰阿伯丁詹姆斯·赫顿研究所的土壤科学家。
土壤是构成地球表面层的矿物质，富含碳物质、水和空气的复杂混合物。它具有很多重要的功能，例如种植食物、清洁空气和储水。土壤中含有动植物的腐烂残骸，并且有无数的微生物在里面生活，例如细菌和真菌。
土壤也为未解之谜提供了线索。沼泽中的深层蕴藏着古代民族活动的证据，鞋子下或衣服上的泥巴可以帮助道森（Dawson）等科学家抓获罪犯。在北极高处冻结的土壤中含有细菌，有一天需要它帮助保护地球。
挖掘冻土
珍妮特·詹森（Janet Jansson）研究了永冻结的土壤，称为永冻土。它覆盖了地球北极的大部分表面，占据了北半球所有土地的近四分之一。
永冻土，地球两极附近的冰冻土壤，含有有助于从大气中吸收碳的微生物。NickBonzey / Wikimedia Commons（CC BY-SA 2.0）
但是科学家担心某些永冻土可能不会再永存下去。近几十年来的人类活动一直在向大气排放过量的二氧化碳和其他温室气体，这些气体将热量聚集在行星表面附近，从而提高了温度。毫不奇怪，全球各地（尤其是北部地区）的气温一直在上升，这可能会刺激大面积的永冻土融化。
由于永冻土的作用非常重要，因此冻土的丧失可能会带来许多问题。
苔原（Tundra）是位于永冻土上方的最北端的无树植被区，这儿的土壤锁住了地球上所有土壤中三分之一的碳。如果永冻土融化，土壤中的死植物将开始腐烂，释放这些植物中的碳。其中一些碳将以二氧化碳气体的形式进入空气，科学家担心这可能导致全球变暖。
詹森认为，土壤细菌可能是了解植物碳释放速度的关键。她是华盛顿州里奇兰市西北太平洋国家实验室的微生物学家，在那里，她研究了北极圈内阿拉斯加和格陵兰岛冰冻土壤中的细菌。
珍妮特·詹森（Janet Jansson）在格陵兰岛海岸边航行的一条船上，格陵兰岛是她研究永冻土的地方之一。
一些气候和土壤科学家认为微生物可以加速永冻土的融化及其将温室气体释放到大气中。但是，其他微生物可能会减慢这个过程。 Jansson试图找出微生物之间的相互作用如何影响土壤中碳的释放，她说：“知道细菌在哪里以及它们在做什么，可以帮助我们做出更好的预测。”
一茶匙土壤可以容纳十亿细菌。这些微生物形成紧密的社区，人们可能很难弄清有哪些类型的细菌，其中一些还被证明很难在实验室中培养。现在，Jansson不必这样做。她使用了一套称为宏基因组学的技术（MEH-tah-jeh-NO-miks），可以让她分析土壤样本中的遗传物质，通过关注它们的基因，她现在可以识别出许多土壤细菌。
Jansson希望找到永冻土细菌的类型，这些永冻土细菌会自然地从空气中吸收二氧化碳，并将其泵送到可以储存二氧化碳的地下（而不会使空气温度升高）。她说，了解这些细菌的工作原理甚至可能有助于科学家发明减少大气中二氧化碳含量的新方法。
例如，科学家可能有一天可能将有用的微生物“喂食”到永冻土和其他土壤中，然后这些多余的细菌可以从大气中吸收更多的碳，并将其存储在地下。她希望，这可能是应对全球变暖的一种方式。
令人惊奇的是，像珍妮特·詹森（Janet Jansson）这样的科学家可以从粘在车轮、工具或靴子上的一小撮泥巴中了解某人的去向。svf74/ iStockphoto
抓捕罪犯
詹森在寒冷的地方研究土壤。还有些人则利用土壤来解决冷门的案件。
近二十年来，洛娜·道森（Lorna Dawson）研究了不同类型的土壤如何形成。她的职业生涯在2003年发生了变化，当时一名警官来到她的实验室，请道森帮助一个犯罪案件。
这名警官想知道嫌疑人皮靴底部的污垢是否有助于查明被埋毒品的位置。道森分析了土壤并将其与实验室中的土壤样品进行了比较。她将从靴子上取到的土壤中的植物分子匹配到一片具体的森林。那恰是是警察查毒之处-就这样找到了毒品。
道森（Dawson）解释说：“大多数户外犯罪现场都沾满了泥土。它包含隐藏的线索。”她为警察所做的工作改变了她的科研重点。今天，她是法医土壤科学家。她在詹姆斯·赫顿研究所（James Hutton Institute）的实验室是世界上为数不多的专注于在解决犯罪活动中使用土壤的实验室之一。它可以帮助调查人员弄清楚犯罪发生的地方，以及犯罪者在犯罪发生之前或之后可能去过的地方。残留在土壤中的微小物质可以提供线索，这些碎片可能来自植物，衣物、藻类-甚至是空气污染。
这个想法并不是什么新鲜事。几个世纪以来，调查人员一直使用土壤来解决犯罪问题。土壤甚至出现在亚瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）1887年的侦探小说中：《血字的研究》。沃森博士在报告中指出，根据泥浆的颜色，福尔摩斯可以将一条裤子上的飞溅痕迹匹配到伦敦的不同地方。
《血字的研究》（为译者所加）
但是多年来，侦探们一直专注于土壤的物理特性。他们可能会看它的颜色，感觉它有多粘，或者注意到它容易碎。这些线索并不总是可靠的，例如，一个人对棕褐色痕迹的描述可能与其他人的描述不同。
洛娜·道森（Lorna Dawson）使用靴子上的泥巴帮助罪犯定罪。詹姆斯·赫顿研究所
Dawson注意到，通过应用她在实验室中使用的某些科学方法，她可以提高法医土壤分析的准确性。她开始分析土壤中的有机物。（有机物是植物和其他生物腐烂后留下的富含碳的物质。）她使用了称为色谱法（KROH-muh-TOG-rah-fee）和质谱技术。这些方法可帮助科学家识别构成微量土壤的分子或元素。
这些分析工具使Dawson现在可以处理极微量的土壤样本。例如，她只需要20毫克（大约等于米粒的大小）就可以告诉嫌疑犯是站在农田里还是在它周围的草丛中。她指出：“这点量实在太小了，一个离开犯罪现场的人甚至可能都不知道自己沾到了这点点泥巴。”
如此细微的线索可能会帮助将案件松散的线索末端链接在一起。她回忆起2014年发生的一起案件，她从嫌疑犯的靴子底部分析出的土壤，推动了苏格兰最臭名昭著的连环杀手之一的罪犯定罪。这个案件有两名17岁的女孩被杀，案件发生后近40年来毫无头绪。此案对道森具有特殊意义。1977年，两名17岁的女孩都在爱丁堡大学道森大学宿舍附近的一条街道上消失，两名少女的遇害使她害怕在晚上外出。
道森说，随时在法庭上作证是她工作中最有意义的部分之一。她指出：“土壤科学是可以帮助伸张正义的调查性拼图游戏的一部分。”
挖掘过去
土壤可以帮助侦探找出犯罪现场发生的事情。它还可以帮助科学家和历史学家了解更遥远的过去。
基拉·霍夫曼（Kira Hoffman）是不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的加拿大研究生。作为社区生态学家，她研究了生态系统中不同生物之间的联系，以更好地了解它们之间的联系。
这就是泥炭藓苔。它是从沼泽中开采而来，营养丰富，许多园丁也因此将其添加到土壤中。tortoon/ iStockphoto
她的研究将她带入加拿大沿海雨林的沼泽地。沼泽地是松软的、黏乎乎的土地。它们往往充满一种称为泥炭藓（SFAG-num）的苔藓。它像海绵一样吸收水。
霍夫曼说，沼泽不是很常见。因此，它们通常最终成为“人们不了解的这些令人难以置信的秘密生态系统。”她必须划独木舟一个小时才能到达加拿大海岸线附近的研究地点。
她研究的沼泽中的土壤可以追溯到13,000年。当她深入土壤时，她发现了有关沼泽中和周围生活的植物、动物和人的线索。霍夫曼（Hoffman）在地面上挖了个大洞，看了看这些层次。当她钻入泥炭时，她注意到木炭在某些层中流淌着完美的线条。木炭是着火的证据。当泥炭藓死亡并开始腐烂时，它会形成一种称为泥炭的土壤。腐烂的植物材料会形成酸性环境，以至于湿地的泥炭分解非常缓慢。霍夫曼解释说，因此，沼泽的泥炭可以保存数千年前的事件记录。
她使用一种用以测定物体的年代称为放射性碳的技术来了解那些大火已经燃烧了多久。放射性碳技术通过比较两种形式的碳的相对含量而起作用，这两种碳称为碳12和碳14。碳14的一种形式是放射性的。随着时间的流逝，它的原子以已知的速率衰减（失去一个或多个中子）。这些更改将C-14转换为C-12，科学家可以使用这两种形式的碳的比例来确定含碳物质的大致寿命。
基拉·霍夫曼（Kira Hoffman）从泥炭沼泽收集土壤，以了解生活在那里的古代人。她戴着网罩保护自己免受蚊子、蚊虫和其他沼泽虫的侵扰。
霍夫曼说，木炭线条（痕迹）和放射性碳年代测定法证明了加拿大最早的土著人用火烧土地已有数千年的历史。她说，他们可能想清理土地，以便对猎杀的动物有更好的视线。
沼泽还包含许多类型的浆果-小红莓，越橘莓和树莓。那时，这个地区的土著人民会吃掉这些浆果。他们可能用火来修剪浆果灌木，这可能会使浆果长得更大、多汁。（去除一些绿叶植物可以使植物投入更多的能量来生产果实。）
霍夫曼解释说，火可能是生态系统中健康的一部分，导致一些植物长得又厚又结实。
“沼泽是这些人的家。利用土壤中的线索，我们可以看到他们的生活。”霍夫曼总结道。她仍然希望回答有关古代生活方式的其他问题。她说，土壤可以帮助研究人员发现加拿大的第一批居民吃了什么，他们如何建造庇护所，甚至还处理了垃圾。
“当您开始仔细观察时，土壤真的很酷！”她说。霍夫曼（Hoffman）鼓励每个人探索脚下的土壤：“您将开始意识到整个世界都在一茶匙的土壤中运转（this whole world going on in just a teaspoon of soil）。”
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