土壤到底有多重要?离开它我们将无法生存

对于土壤,我们有无数种对它的称呼,我们不会感觉到土壤在我们生活中的意义,然而事实是,如果离开了土壤,我们将无法生存。

默奇森陨石,一颗著名的碳质球粒陨石,其内部含有大量的有机物质,于1969年坠落在澳大利亚境内

默奇森陨石,一颗著名的碳质球粒陨石,其内部含有大量的有机物质,于1969年坠落在澳大利亚境内

澳大利亚海岸边形成的现代叠层石

澳大利亚海岸边形成的现代叠层石

  新浪科技讯 北京时间12月10日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,说到土壤,你会想到什么?烂泥,污泥,尘土——对于土壤,我们有无数种对它的称呼,我们不会感觉到土壤在我们生活中的意义,然而事实是,如果离开了土壤,我们将无法生存。

  对于几乎任何生活在陆地上的生命而言,土壤都是非常关键的生存保障,从储存水分到过滤水质再到调节气候以及防止洪涝灾害,营养循环和降解机制,无所不包。在我们脚下的土壤同时也包含着我们所想象不到的生物多样性,事实上有一项估算结果认为地球上至少有1/4的生物生活在土壤表面或内部。而时至今日,我们仍在不断认识土壤给予我们的惊喜:就在2015年1月份,科学家们宣布他们在一种土壤细菌中发现了30年来的第一种新型抗生素。

  来自“全球土壤生物多样性倡议”机构(Global Soil Biodiversity Initiative)的坦德拉·符拉瑟(Tandra Fraser)以及戴安娜·沃尔(Diana Wall)指出:“土壤中所包含的生物多样性常常被人忽视,然而它们对于一个健康的生态系统却至关重要,这也将最终让我们人类得以保持健康。”

对于很多生命而言,土壤都是它们生存的必须

对于很多生命而言,土壤都是它们生存的必须

  土壤的诞生

  联合国此前已经将2015年定为“世界土壤年”,而刚刚过去的12月5日又恰好是世界土壤日。因此,如果说要选择一个合适的时间为这种被忽视太久的物质举行庆祝的话,那么现在就再好不过了。但是,土壤最初究竟是从何而来?为何它们对于陆生生命如此重要?

  在太阳系诞生之初,在我们的行星形成之前,形成我们今日所见土壤的原材料正飘荡在宇宙空间的一片黑暗之中。对于这种说法的证据就隐藏在一类被称为碳质球粒陨石的太空岩石之中。这种太空岩石诞生于太阳系诞生初期,富含大量粘土类物质,它们构成了地球上最早的土壤。

  大约46亿年前,地球逐渐形成,此时这些粘土类物质构成的原始土壤便开始在我们这颗年轻行星的表面逐渐积累。但当时的环境是非常恶劣的:频繁发生且规模巨大的陨星撞击将会彻底摧毁这一刚刚出现的原始土壤层。

  美国俄勒冈大学古土壤专家格里高利·瑞塔莱克(Gregory Retallack)表示:“现在还存在争议,我们不能确定当时的地球是否整个表面都是处于熔融状态的。”就他个人而言,瑞塔莱克认为在任何一个时刻,地球上从未出现过超过一半表面全都处于熔融状态的情况。

  在大约38亿年前,地球上的情况开始逐渐稳定下来。此前将地球变为炼狱的频繁陨星撞击开始逐渐消退,于是液态水体开始有机会在地球表面形成并累积,湖泊和海洋开始出现了。对于土壤的故事来说,这是一个重要的时刻。液态水造成的风化作用会冲刷并侵蚀地球表面的岩石,产生矿物质并形成更多永久性的土壤。

  在那之后不久,地球上最早的生命出现了,时间大约是在35亿年前。对此,一部分最早的证据来自化石结构,比如当时在岩石海岸形成的叠层石,这是一种由原核生物所建造的生物席结构,直到今天这样的过程仍在持续发生。

  几乎从诞生的时刻开始,生命便开始对土壤产生影响,并同时被土壤所影响。举例而言,那些最早的生物席结构是由能够进行光合作用的有机体产生的,它们能够利用太阳的能量制造出大量的有机质。这些有机质在海滩上不断积累并混入由被侵蚀的岩石产生的矿物质成分,最终逐渐形成了最早的真正的土壤。

  然而这些仍然不是我们今天所看到的这种土壤。这些最早的土壤储存水分和营养物质的性能很差,而后者都是维持生命的关键物质。土壤的这种储存能力很大程度上与其内部颗粒间的孔隙度有关系,而早期土壤简单的内部结构意味着水分和营养物质能够很快流失殆尽。因为这个原因,当时的陆地上仍然是一片荒芜,生命被局限在海洋里,最多就是在海滩上,在那里仍然可以接受海洋的呵护。

  没有任何生命能够产生足够的适应力,从而可以离开海岸向陆地推进,占据那片荒芜的土地。殖民陆地的诀窍在于合作——或者更具体的说,就是在大约7亿~5.5亿年前地衣的出现。

地衣是生命力和适应能力都非常强悍的生命形式

地衣是生命力和适应能力都非常强悍的生命形式

  地衣的贡献

  地衣是一类令人印象深刻的有机体。它们的“身体”组织是由藻类和真菌共同构成的稳定而又互利的共生联合体,有时候还有细菌的参与——它们三者共同代表了生命的三个“界”。而正是受益于这种紧密的互利合作关系,地衣拥有了极强的环境适应性。

  藻类可以进行光合作用,从而为地衣提供能量,而真菌可以收集水分,防止地衣脱水。真菌拥有长长的细丝,非常适合从周围环境中收集水分。更加重要的是,地衣中还含有一种能够进行光合作用的细菌,名为蓝藻,这种藻类能够从环境中汲取氮气成分,而当它们死亡时,这些氮元素便被融入了土壤之中,逐渐提升了土壤中养分的蓄积量。

  通过紧密协作,这些不同的细小生命将它们各自的技能结合起来,逐渐适应了这片5亿年前荒芜的大陆。直至今天,地衣仍然是世界上适应能力最强的生命形式之一。

  美国新泽西州罗格斯大学的保罗·法尔科瓦斯基(Paul Falkowski)表示:“地衣能够征服坚硬的岩石。它们还会分泌酸性物质,从而加速岩石的风化过程。”

  这就意味着地衣并不仅仅只是占据了地球早期的土壤,它们正在逐渐改造地球早期土壤。通过加速岩石风化过程,地衣更进一步增加了土壤中营养成分的积累,从而使土壤变得更加肥沃。这就为其他形式的生命向陆地进发铺平了道路。法尔科瓦斯基说:“对于植物最终成功征服地球上的陆地,地衣起到的作用功不可没。”

  对陆地的第二轮“殖民”开始于大约4.4亿年前,早期植物开始大举向陆地蔓延并在这一过程中更显著地改变了土壤的性质。瑞塔莱克说:“它们促成了更明显的土壤结构,它们还将大量的磷和钾等营养物质掺入了土壤之中。这样做的后果是,它们增加了土壤和海洋中营养物质的含量。”

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

  植物这种增加土壤肥力的特性背后,一大关键便在于其根部的真菌。这些“菌根”产生于大约5亿年前,甚至比植物最早的根系诞生的时间还要早。

  和地衣内部生活的真菌很像,“菌根”同样是与具有光合作用能力的植物相互合作来实现目标的。并且与地衣中的情况一样,这样一种合作形式会对双方都有益:“菌根”会产生大量长长的须丝,这增加了植物获取营养水分的范围并使其更牢固地扎根于土壤中,并能够从土壤中吸收氮和其他植物生长所需的营养物质。

  菌根的细丝同时也会加速岩石分解,从而释放出更多营养物质,包括磷,钙和铁等等,这些同样都会帮助进一步增加土壤肥力。科学家们相信这种互利共生的关系对于陆地植物的演化过程是至关重要的。15年前发现的距今4.6亿年前的菌根化石则更加支持了这一理论的正确性,因为在4.6亿年前甚至连陆生植物都还没有出现。

  利兹大学的凯蒂·菲尔德(Katie Field)表示:“这种互利关系帮助植物征服了早期的陆地,甚至是在它们发展出根系之前,而当时的陆地上甚至根本没有我们今天所言的土壤。随着时间推移,植物在结构上演化地越来越复杂,发展出复杂的维管结构,叶片和根系。”这一过程会将更多有机物带入土壤,并帮助稳定土壤,使之免于被侵蚀殆尽。

  今天,类似这样的生物互利共生关系构成了全球营养物质循环的基础,一旦离开这一循环我们将陷入饥饿。超过80%的现代植物与真菌菌根之间构建起了某种共生关系,并且这一机制对于增加土壤中的氮含量具有重要意义。菌根还能够形成巨大的网络,帮助稳定土壤内部结构并让植物之间能够相互交流,因而它也被科学家们称作是“地球的互联网”。

  随着植物开始逐渐向陆地蔓延并将大量有机物质融入土壤之中,土壤的持水性能增强了。土壤对于水分的保持和过滤是其最为重要的功能。即便是在今天情况也是如此:我们依赖土壤的这项功能获得饮用水并发展农业生产。土壤的持水功能对于降低洪涝灾害发生的风险,并缓解干旱同样具有重要意义。

拥有钻洞习性的动物,比如蚂蚁,正在改变着土壤的性质与面貌

拥有钻洞习性的动物,比如蚂蚁,正在改变着土壤的性质与面貌

  动物和人类

  土壤中的水分被分为两类。在潜水位之下的土壤是完全饱和的,这里的水体被称作地下水;而在潜水位之上,土壤水分的饱和程度更低,这里的水分就被称作“土壤水分”。

  地下水构成了世界淡水供应的20%强,尽管其占世界水体总量的比例还不到1%。地下水构成了我们饮用水和灌溉用水的重要来源,仅在美国境内,土壤中储存的水量就高达12.5亿亿升。

  而从原始土壤到现代土壤之间,还有最后一个环节。大约在4.9亿~4.3亿年前,动物开始从海洋登上陆地并逐渐扩大自己的生存空间。到了大约4.2亿年前,陆生无脊椎动物已经高度繁盛,同样的,它们也会对土壤的演化产生影响。

  这些早期的陆生动物都是“食草”的,以先期占据陆地的藻类生物席和地衣类为食并将产生的营养物质混入土壤。这些动物也开始在土壤中钻洞并占据了土壤内部,吞食死亡的有机体并将排泄的有机物与粘土类物质和其他来自岩石风化产生的矿物质成分相混合。动物们产生的影响造就了土壤独特的结构并帮助植物继续演化,在远离水体的地方发展繁盛。

  生活在土壤中生物的多样性迅速增长。新的无脊椎动物物种不断出现,包括千足虫、跳虫、螨以及蜘蛛的早期祖先。到了大约3.6亿年前,土壤已经发展到与今天的现代土壤相当相近的地步,其中的生物多样性甚至已经与今天我们脚下的土壤相接近,其中也包括沼泽土壤和森林土壤。

  瑞塔莱克解释道:“此时所有的土壤类型基本上都已经出现了,除了草原土。”草原还要等到大约6500万年前恐龙灭绝之后才会首次出现在地球上。

  土壤的历史是由物理因素以及各种生命,通过数十亿年前地质历史早期一系列的相互作用共同塑造而成的。而在过去的几个世纪中,土壤的故事仍在继续通过我们人类的活动而向前发展着。

  在1960年代以前,全球的氮循环基本上是平衡的。但在那之后,农业氮肥的使用量大致增加了800%。过量的营养物质和缺乏营养物质一样,都是有害的——过量的氮元素被冲刷进入河道水体,造成水体的富营养化并引发藻类生长的大爆发,此过程会大量产生一氧化二氮,这是一种危险的温室气体,对于人体是有害的。

  这样的改变是氮循环体系在过去的25亿年间所经历的最为剧烈的变化,对于我们的食物供给和气候稳定将产生深远的影响。

对土壤的翻耕破坏了土壤中的菌根结构,并造成土壤结构的破坏

对土壤的翻耕破坏了土壤中的菌根结构,并造成土壤结构的破坏

  对于土壤中营养物质循环产生的扰动尤其令人感到担忧,因为土壤系统对于外界施加的变化通常响应迟钝——任何我们人类现在对土壤系统施加的破坏,后者都将需要数十年甚至数百年的时间才能逐渐自我修复。

  土壤本身也可以成为一个温室气体排放来源。通过蓄积有机物质,土壤是一个主要的碳储库,使后者不会以二氧化碳的形式进入大气。然而,当发生一些情况,比如泥炭沼泽生态遭受破坏,那么这些被固定的碳就会重新进入大气。

  这样的情况正在印度尼西亚大面积发生,那里的泥炭沼泽已经持续燃烧数月,每天释放超过整个美国的大量二氧化碳,并因此被称为是“21世纪最大的环境灾难”。

  现代农业的一些做法对于植物菌根同样会产生有害后果,削弱了我们的作物从土壤中获取必须营养物质的能力并在这一过程中造成土壤基本结构的破坏。

  事实上,我们的农业正在逆转数十亿年来土壤的演化历程并让我们的土壤变得更容易遭受侵蚀破坏。实际上目前全球有接近一半的表土面积已经在过去的150年间遭受侵蚀,而这是土壤最为活跃,最为重要的一层。

遭受侵蚀之后的土壤,其持水性能和保持营养物质的能力都会下降,使之难以种植农作物并让我们的土地在面对洪水或干旱灾害时更加脆弱。反过来,来自土壤侵蚀的泥沙也必须找到能够沉积下来的地方,因此我们的河道正日益淤塞,河流中生活的水生生物正在逐渐消亡。

  整个局面甚至可能在未来变得更加糟糕。加速发展的农业生产正在全球范围内造成土壤质量的退化,而随着全球人口数量预计在2050年达到90亿,我们人类未来的食物安全正面临威胁。

  但也有好消息,那就是如果我们能够更好的保护世界各地的土壤并充分利用其固碳能力,那么我们就有机会使土壤来帮助我们对抗全球气候变暖的趋势。

  或许你我在平常的生活中都几乎感觉不到土壤的存在,但它确实是让我们每天得以存活的基础。现在就开始采取行动,在全球范围内保护土壤所代表的这一关键生态系统,唯有如此我们才能确保它将继续为我们提供洁净的水源,食物以及确保我们未来生存的宜居气候环境。

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