土壤到底有多重要？離開它我們將無法生存

2015年12月10日 07:50 新浪科技 微博

對於土壤，我們有無數種對它的稱呼，我們不會感覺到土壤在我們生活中的意義，然而事實是，如果離開了土壤，我們將無法生存。
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默奇森隕石，一顆著名的碳質球粒隕石，其內部含有大量的有機物質，於1969年墜落在澳大利亞境內默奇森隕石，一顆著名的碳質球粒隕石，其內部含有大量的有機物質，於1969年墜落在澳大利亞境內


澳大利亞海岸邊形成的現代疊層石澳大利亞海岸邊形成的現代疊層石

　　新浪科技訊 北京時間12月10日消息，據英國廣播公司(BBC)網站報道，說到土壤，你會想到什麼？爛泥，污泥，塵土——對於土壤，我們有無數種對它的稱呼，我們不會感覺到土壤在我們生活中的意義，然而事實是，如果離開了土壤，我們將無法生存。

　　對於幾乎任何生活在陸地上的生命而言，土壤都是非常關鍵的生存保障，從儲存水分到過濾水質再到調節氣候以及防止洪澇災害，營養循環和降解機制，無所不包。在我們腳下的土壤同時也包含著我們所想象不到的生物多樣性，事實上有一項估算結果認為地球上至少有1/4的生物生活在土壤表面或內部。而時至今日，我們仍在不斷認識土壤給予我們的驚喜：就在2015年1月份，科學家們宣布他們在一種土壤細菌中發現了30年來的第一種新型抗生素。

　　來自「全球土壤生物多樣性倡議」機構(Global Soil Biodiversity Initiative)的坦德拉·符拉瑟(Tandra Fraser)以及黛安娜·沃爾(Diana Wall)指出：「土壤中所包含的生物多樣性常常被人忽視，然而它們對於一個健康的生態系統卻至關重要，這也將最終讓我們人類得以保持健康。」

對於很多生命而言，土壤都是它們生存的必須對於很多生命而言，土壤都是它們生存的必須




　　土壤的誕生

　　聯合國此前已經將2015年定為「世界土壤年」，而剛剛過去的12月5日又恰好是世界土壤日。因此，如果說要選擇一個合適的時間為這種被忽視太久的物質舉行慶祝的話，那麼現在就再好不過了。但是，土壤最初究竟是從何而來？為何它們對於陸生生命如此重要？

　　在太陽系誕生之初，在我們的行星形成之前，形成我們今日所見土壤的原材料正飄蕩在宇宙空間的一片黑暗之中。對於這種說法的證據就隱藏在一類被稱為碳質球粒隕石的太空岩石之中。這種太空岩石誕生於太陽系誕生初期，富含大量粘土類物質，它們構成了地球上最早的土壤。

　　大約46億年前，地球逐漸形成，此時這些粘土類物質構成的原始土壤便開始在我們這顆年輕行星的表面逐漸積累。但當時的環境是非常惡劣的：頻繁發生且規模巨大的隕星撞擊將會徹底摧毀這一剛剛出現的原始土壤層。

　　美國俄勒岡大學古土壤專家格里高利·瑞塔萊克(Gregory Retallack)表示：「現在還存在爭議，我們不能確定當時的地球是否整個表面都是處於熔融狀態的。」就他個人而言，瑞塔萊克認為在任何一個時刻，地球上從未出現過超過一半表面全都處於熔融狀態的情況。

　　在大約38億年前，地球上的情況開始逐漸穩定下來。此前將地球變為煉獄的頻繁隕星撞擊開始逐漸消退，於是液態水體開始有機會在地球表面形成並累積，湖泊和海洋開始出現了。對於土壤的故事來說，這是一個重要的時刻。液態水造成的風化作用會沖刷並侵蝕地球表面的岩石，產生礦物質並形成更多永久性的土壤。

　　在那之後不久，地球上最早的生命出現了，時間大約是在35億年前。對此，一部分最早的證據來自化石結構，比如當時在岩石海岸形成的疊層石，這是一種由原核生物所建造的生物席結構，直到今天這樣的過程仍在持續發生。

　　幾乎從誕生的時刻開始，生命便開始對土壤產生影響，並同時被土壤所影響。舉例而言，那些最早的生物席結構是由能夠進行光合作用的有機體產生的，它們能夠利用太陽的能量製造出大量的有機質。這些有機質在海灘上不斷積累並混入由被侵蝕的岩石產生的礦物質成分，最終逐漸形成了最早的真正的土壤。

　　然而這些仍然不是我們今天所看到的這種土壤。這些最早的土壤儲存水分和營養物質的性能很差，而後者都是維持生命的關鍵物質。土壤的這種儲存能力很大程度上與其內部顆粒間的孔隙度有關係，而早期土壤簡單的內部結構意味著水分和營養物質能夠很快流失殆盡。因為這個原因，當時的陸地上仍然是一片荒蕪，生命被局限在海洋里，最多就是在海灘上，在那裡仍然可以接受海洋的呵護。

　　沒有任何生命能夠產生足夠的適應力，從而可以離開海岸向陸地推進，佔據那片荒蕪的土地。殖民陸地的訣竅在於合作——或者更具體的說，就是在大約7億~5.5億年前地衣的出現。

地衣是生命力和適應能力都非常強悍的生命形式地衣是生命力和適應能力都非常強悍的生命形式



　　地衣的貢獻

　　地衣是一類令人印象深刻的有機體。它們的「身體」組織是由藻類和真菌共同構成的穩定而又互利的共生聯合體，有時候還有細菌的參與——它們三者共同代表了生命的三個「界」。而正是受益於這種緊密的互利合作關係，地衣擁有了極強的環境適應性。

　　藻類可以進行光合作用，從而為地衣提供能量，而真菌可以收集水分，防止地衣脫水。真菌擁有長長的細絲，非常適合從周圍環境中收集水分。更加重要的是，地衣中還含有一種能夠進行光合作用的細菌，名為藍藻，這種藻類能夠從環境中汲取氮氣成分，而當它們死亡時，這些氮元素便被融入了土壤之中，逐漸提升了土壤中養分的蓄積量。

　　通過緊密協作，這些不同的細小生命將它們各自的技能結合起來，逐漸適應了這片5億年前荒蕪的大陸。直至今天，地衣仍然是世界上適應能力最強的生命形式之一。

　　美國新澤西州羅格斯大學的保羅·法爾科瓦斯基(Paul Falkowski)表示：「地衣能夠征服堅硬的岩石。它們還會分泌酸性物質，從而加速岩石的風化過程。」

　　這就意味著地衣並不僅僅只是佔據了地球早期的土壤，它們正在逐漸改造地球早期土壤。通過加速岩石風化過程，地衣更進一步增加了土壤中營養成分的積累，從而使土壤變得更加肥沃。這就為其他形式的生命向陸地進發鋪平了道路。法爾科瓦斯基說：「對於植物最終成功征服地球上的陸地，地衣起到的作用功不可沒。」

　　對陸地的第二輪「殖民」開始於大約4.4億年前，早期植物開始大舉向陸地蔓延並在這一過程中更顯著地改變了土壤的性質。瑞塔萊克說：「它們促成了更明顯的土壤結構，它們還將大量的磷和鉀等營養物質摻入了土壤之中。這樣做的後果是，它們增加了土壤和海洋中營養物質的含量。」



植物的根系是真菌的安家之所植物的根系是真菌的安家之所

　　植物這種增加土壤肥力的特性背後，一大關鍵便在於其根部的真菌。這些「菌根」產生於大約5億年前，甚至比植物最早的根系誕生的時間還要早。

　　和地衣內部生活的真菌很像，「菌根」同樣是與具有光合作用能力的植物相互合作來實現目標的。並且與地衣中的情況一樣，這樣一種合作形式會對雙方都有益：「菌根」會產生大量長長的須絲，這增加了植物獲取營養水分的範圍並使其更牢固地紮根於土壤中，並能夠從土壤中吸收氮和其他植物生長所需的營養物質。

　　菌根的細絲同時也會加速岩石分解，從而釋放出更多營養物質，包括磷，鈣和鐵等等，這些同樣都會幫助進一步增加土壤肥力。科學家們相信這種互利共生的關係對於陸地植物的演化過程是至關重要的。15年前發現的距今4.6億年前的菌根化石則更加支持了這一理論的正確性，因為在4.6億年前甚至連陸生植物都還沒有出現。

　　利茲大學的凱蒂·菲爾德(Katie Field)表示：「這種互利關係幫助植物征服了早期的陸地，甚至是在它們發展出根系之前，而當時的陸地上甚至根本沒有我們今天所言的土壤。隨著時間推移，植物在結構上演化地越來越複雜，發展出複雜的維管結構，葉片和根系。」這一過程會將更多有機物帶入土壤，並幫助穩定土壤，使之免於被侵蝕殆盡。

　　今天，類似這樣的生物互利共生關係構成了全球營養物質循環的基礎，一旦離開這一循環我們將陷入飢餓。超過80%的現代植物與真菌菌根之間構建起了某種共生關係，並且這一機制對於增加土壤中的氮含量具有重要意義。菌根還能夠形成巨大的網路，幫助穩定土壤內部結構並讓植物之間能夠相互交流，因而它也被科學家們稱作是「地球的網際網路」。

　　隨著植物開始逐漸向陸地蔓延並將大量有機物質融入土壤之中，土壤的持水性能增強了。土壤對於水分的保持和過濾是其最為重要的功能。即便是在今天情況也是如此：我們依賴土壤的這項功能獲得飲用水並發展農業生產。土壤的持水功能對於降低洪澇災害發生的風險，並緩解乾旱同樣具有重要意義。

擁有鑽洞習性的動物，比如螞蟻，正在改變著土壤的性質與面貌擁有鑽洞習性的動物，比如螞蟻，正在改變著土壤的性質與面貌


　　動物和人類

　　土壤中的水分被分為兩類。在潛水位之下的土壤是完全飽和的，這裡的水體被稱作地下水；而在潛水位之上，土壤水分的飽和程度更低，這裡的水分就被稱作「土壤水分」。

　　地下水構成了世界淡水供應的20%強，儘管其佔世界水體總量的比例還不到1%。地下水構成了我們飲用水和灌溉用水的重要來源，僅在美國境內，土壤中儲存的水量就高達12.5億億升。

　　而從原始土壤到現代土壤之間，還有最後一個環節。大約在4.9億~4.3億年前，動物開始從海洋登上陸地並逐漸擴大自己的生存空間。到了大約4.2億年前，陸生無脊椎動物已經高度繁盛，同樣的，它們也會對土壤的演化產生影響。

　　這些早期的陸生動物都是「食草」的，以先期佔據陸地的藻類生物席和地衣類為食並將產生的營養物質混入土壤。這些動物也開始在土壤中鑽洞並佔據了土壤內部，吞食死亡的有機體並將排泄的有機物與粘土類物質和其他來自岩石風化產生的礦物質成分相混合。動物們產生的影響造就了土壤獨特的結構並幫助植物繼續演化，在遠離水體的地方發展繁盛。

　　生活在土壤中生物的多樣性迅速增長。新的無脊椎動物物種不斷出現，包括千足蟲、跳蟲、蟎以及蜘蛛的早期祖先。到了大約3.6億年前，土壤已經發展到與今天的現代土壤相當相近的地步，其中的生物多樣性甚至已經與今天我們腳下的土壤相接近，其中也包括沼澤土壤和森林土壤。

　　瑞塔萊克解釋道：「此時所有的土壤類型基本上都已經出現了，除了草原土。」草原還要等到大約6500萬年前恐龍滅絕之後才會首次出現在地球上。

　　土壤的歷史是由物理因素以及各種生命，通過數十億年前地質歷史早期一系列的相互作用共同塑造而成的。而在過去的幾個世紀中，土壤的故事仍在繼續通過我們人類的活動而向前發展著。

　　在1960年代以前，全球的氮循環基本上是平衡的。但在那之後，農業氮肥的使用量大致增加了800%。過量的營養物質和缺乏營養物質一樣，都是有害的——過量的氮元素被沖刷進入河道水體，造成水體的富營養化並引發藻類生長的大爆發，此過程會大量產生一氧化二氮，這是一種危險的溫室氣體，對於人體是有害的。

　　這樣的改變是氮循環體系在過去的25億年間所經歷的最為劇烈的變化，對於我們的食物供給和氣候穩定將產生深遠的影響。

對土壤的翻耕破壞了土壤中的菌根結構，並造成土壤結構的破壞對土壤的翻耕破壞了土壤中的菌根結構，並造成土壤結構的破壞
　　對於土壤中營養物質循環產生的擾動尤其令人感到擔憂，因為土壤系統對於外界施加的變化通常響應遲鈍——任何我們人類現在對土壤系統施加的破壞，後者都將需要數十年甚至數百年的時間才能逐漸自我修復。

　　土壤本身也可以成為一個溫室氣體排放來源。通過蓄積有機物質，土壤是一個主要的碳儲庫，使後者不會以二氧化碳的形式進入大氣。然而，當發生一些情況，比如泥炭沼澤生態遭受破壞，那麼這些被固定的碳就會重新進入大氣。

　　這樣的情況正在印度尼西亞大面積發生，那裡的泥炭沼澤已經持續燃燒數月，每天釋放超過整個美國的大量二氧化碳，並因此被稱為是「21世紀最大的環境災難」。

　　現代農業的一些做法對於植物菌根同樣會產生有害後果，削弱了我們的作物從土壤中獲取必須營養物質的能力並在這一過程中造成土壤基本結構的破壞。

　　事實上，我們的農業正在逆轉數十億年來土壤的演化歷程並讓我們的土壤變得更容易遭受侵蝕破壞。實際上目前全球有接近一半的表土面積已經在過去的150年間遭受侵蝕，而這是土壤最為活躍，最為重要的一層。


　　遭受侵蝕之後的土壤，其持水性能和保持營養物質的能力都會下降，使之難以種植農作物並讓我們的土地在面對洪水或乾旱災害時更加脆弱。反過來，來自土壤侵蝕的泥沙也必須找到能夠沉積下來的地方，因此我們的河道正日益淤塞，河流中生活的水生生物正在逐漸消亡。

　　整個局面甚至可能在未來變得更加糟糕。加速發展的農業生產正在全球範圍內造成土壤質量的退化，而隨著全球人口數量預計在2050年達到90億，我們人類未來的食物安全正面臨威脅。

　　但也有好消息，那就是如果我們能夠更好的保護世界各地的土壤並充分利用其固碳能力，那麼我們就有機會使土壤來幫助我們對抗全球氣候變暖的趨勢。

　　或許你我在平常的生活中都幾乎感覺不到土壤的存在，但它確實是讓我們每天得以存活的基礎。現在就開始採取行動，在全球範圍內保護土壤所代表的這一關鍵生態系統，唯有如此我們才能確保它將繼續為我們提供潔凈的水源，食物以及確保我們未來生存的宜居氣候環境。(晨風)