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2025年07月18日
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對于土壤，我們有無數(shù)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。
北京時間12月10日消息，據(jù)英國廣播公司(BBC)網(wǎng)站報道，說到土壤，你會想到什么？爛泥，污泥，塵土——對于土壤，我們有無數(shù)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。
對于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(zhì)再到調(diào)節(jié)氣候以及防止洪澇災害，營養(yǎng)循環(huán)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(nèi)部。而時至今日，我們?nèi)栽诓粩嗾J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(fā)現(xiàn)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)以及戴安娜·沃爾(Diana Wall)指出：“土壤中所包含的生物多樣性常常被人忽視，然而它們對于一個健康的生態(tài)系統(tǒng)卻至關重要，這也將最終讓我們?nèi)祟惖靡员３纸】怠！?/p>
對于很多生命而言，土壤都是它們生存的必須。
土壤的誕生
聯(lián)合國此前已經(jīng)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(zhì)舉行慶祝的話，那么現(xiàn)在就再好不過了。但是，土壤最初究竟是從何而來？為何它們對于陸生生命如此重要？
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。對于這種說法的證據(jù)就隱藏在一類被稱為碳質(zhì)球粒隕石的太空巖石之中。這種太空巖石誕生于太陽系誕生初期，富含大量粘土類物質(zhì)，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(zhì)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(huán)境是非常惡劣的：頻繁發(fā)生且規(guī)模巨大的隕星撞擊將會徹底摧毀這一剛剛出現(xiàn)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(xiàn)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于熔融狀態(tài)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(xiàn)過超過一半表面全都處于熔融狀態(tài)的情況。
在大約38億年前，地球上的情況開始逐漸穩(wěn)定下來。此前將地球變?yōu)闊挭z的頻繁隕星撞擊開始逐漸消退，于是液態(tài)水體開始有機會在地球表面形成并累積，湖泊和海洋開始出現(xiàn)了。對于土壤的故事來說，這是一個重要的時刻。液態(tài)水造成的風化作用會沖刷并侵蝕地球表面的巖石，產(chǎn)生礦物質(zhì)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現(xiàn)了，時間大約是在35億年前。對此，一部分最早的證據(jù)來自化石結構，比如當時在巖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(xù)發(fā)生。
幾乎從誕生的時刻開始，生命便開始對土壤產(chǎn)生影響，并同時被土壤所影響。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(chǎn)生的，它們能夠利用太陽的能量制造出大量的有機質(zhì)。這些有機質(zhì)在海灘上不斷積累并混入由被侵蝕的巖石產(chǎn)生的礦物質(zhì)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(yǎng)物質(zhì)的性能很差，而后者都是維持生命的關鍵物質(zhì)。土壤的這種儲存能力很大程度上與其內(nèi)部顆粒間的孔隙度有關系，而早期土壤簡單的內(nèi)部結構意味著水分和營養(yǎng)物質(zhì)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，在那里仍然可以接受海洋的呵護。
沒有任何生命能夠產(chǎn)生足夠的適應力，從而可以離開海岸向陸地推進，占據(jù)那片荒蕪的土地。殖民陸地的訣竅在于合作——或者更具體的說，就是在大約7億~5.5億年前地衣的出現(xiàn)。
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(wěn)定而又互利的共生聯(lián)合體，有時候還有細菌的參與——它們?nèi)吖餐砹松娜齻€“界”。而正是受益于這種緊密的互利合作關系，地衣?lián)碛辛藰O強的環(huán)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(huán)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(huán)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(yǎng)分的蓄積量。
通過緊密協(xié)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巖石。它們還會分泌酸性物質(zhì)，從而加速巖石的風化過程。”
這就意味著地衣并不僅僅只是占據(jù)了地球早期的土壤，它們正在逐漸改造地球早期土壤。通過加速巖石風化過程，地衣更進一步增加了土壤中營養(yǎng)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(fā)鋪平了道路。法爾科瓦斯基說：“對于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”開始于大約4.4億年前，早期植物開始大舉向陸地蔓延并在這一過程中更顯著地改變了土壤的性質(zhì)。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(yǎng)物質(zhì)摻入了土壤之中。這樣做的后果是，它們增加了土壤和海洋中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。”
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后，一大關鍵便在于其根部的真菌。這些“菌根”產(chǎn)生于大約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(nèi)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(xiàn)目標的。并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(chǎn)生大量長長的須絲，這增加了植物獲取營養(yǎng)水分的范圍并使其更牢固地扎根于土壤中，并能夠從土壤中吸收氮和其他植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。
菌根的細絲同時也會加速巖石分解，從而釋放出更多營養(yǎng)物質(zhì)，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系對于陸地植物的演化過程是至關重要的。15年前發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。
利茲大學的凱蒂·菲爾德(Katie Field)表示：“這種互利關系幫助植物征服了早期的陸地，甚至是在它們發(fā)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復雜，發(fā)展出復雜的維管結構，葉片和根系。”這一過程會將更多有機物帶入土壤，并幫助穩(wěn)定土壤，使之免于被侵蝕殆盡。
今天，類似這樣的生物互利共生關系構成了全球營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的基礎，一旦離開這一循環(huán)我們將陷入饑餓。超過80%的現(xiàn)代植物與真菌菌根之間構建起了某種共生關系，并且這一機制對于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(wǎng)絡，幫助穩(wěn)定土壤內(nèi)部結構并讓植物之間能夠相互交流，因而它也被科學家們稱作是“地球的互聯(lián)網(wǎng)”。
隨著植物開始逐漸向陸地蔓延并將大量有機物質(zhì)融入土壤之中，土壤的持水性能增強了。土壤對于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并發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。土壤的持水功能對于降低洪澇災害發(fā)生的風險，并緩解干旱同樣具有重要意義。
擁有鉆洞習性的動物，比如螞蟻，正在改變著土壤的性質(zhì)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，這里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，這里的水分就被稱作“土壤水分”。
地下水構成了世界淡水供應的20%強，盡管其占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(nèi)，土壤中儲存的水量就高達12.5億億升。
而從原始土壤到現(xiàn)代土壤之間，還有最后一個環(huán)節(jié)。大約在4.9億~4.3億年前，動物開始從海洋登上陸地并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(jīng)高度繁盛，同樣的，它們也會對土壤的演化產(chǎn)生影響。
這些早期的陸生動物都是“食草”的，以先期占據(jù)陸地的藻類生物席和地衣類為食并將產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)混入土壤。這些動物也開始在土壤中鉆洞并占據(jù)了土壤內(nèi)部，吞食死亡的有機體并將排泄的有機物與粘土類物質(zhì)和其他來自巖石風化產(chǎn)生的礦物質(zhì)成分相混合。動物們產(chǎn)生的影響造就了土壤獨特的結構并幫助植物繼續(xù)演化，在遠離水體的地方發(fā)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(xiàn)，包括千足蟲、跳蟲、螨以及蜘蛛的早期祖先。到了大約3.6億年前，土壤已經(jīng)發(fā)展到與今天的現(xiàn)代土壤相當相近的地步，其中的生物多樣性甚至已經(jīng)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(jīng)出現(xiàn)了，除了草原土。”草原還要等到大約6500萬年前恐龍滅絕之后才會首次出現(xiàn)在地球上。
土壤的歷史是由物理因素以及各種生命，通過數(shù)十億年前地質(zhì)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(xù)通過我們?nèi)祟惖幕顒佣蚯鞍l(fā)展著。
在1960年代以前，全球的氮循環(huán)基本上是平衡的。但在那之后，農(nóng)業(yè)氮肥的使用量大致增加了800%。過量的營養(yǎng)物質(zhì)和缺乏營養(yǎng)物質(zhì)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(yǎng)化并引發(fā)藻類生長的大爆發(fā)，此過程會大量產(chǎn)生一氧化二氮，這是一種危險的溫室氣體，對于人體是有害的。
這樣的改變是氮循環(huán)體系在過去的25億年間所經(jīng)歷的最為劇烈的變化，對于我們的食物供給和氣候穩(wěn)定將產(chǎn)生深遠的影響。
對土壤的翻耕破壞了土壤中的菌根結構，并造成土壤結構的破壞。
對于土壤中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生的擾動尤其令人感到擔憂，因為土壤系統(tǒng)對于外界施加的變化通常響應遲鈍——任何我們?nèi)祟惉F(xiàn)在對土壤系統(tǒng)施加的破壞，后者都將需要數(shù)十年甚至數(shù)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(zhì)，土壤是一個主要的碳儲庫，使后者不會以二氧化碳的形式進入大氣。然而，當發(fā)生一些情況，比如泥炭沼澤生態(tài)遭受破壞，那么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(fā)生，那里的泥炭沼澤已經(jīng)持續(xù)燃燒數(shù)月，每天釋放超過整個美國的大量二氧化碳，并因此被稱為是“21世紀最大的環(huán)境災難”。
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一些做法對于植物菌根同樣會產(chǎn)生有害后果，削弱了我們的作物從土壤中獲取必須營養(yǎng)物質(zhì)的能力并在這一過程中造成土壤基本結構的破壞。
事實上，我們的農(nóng)業(yè)正在逆轉(zhuǎn)數(shù)十億年來土壤的演化歷程并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(jīng)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。
遭受侵蝕之后的土壤，其持水性能和保持營養(yǎng)物質(zhì)的能力都會下降，使之難以種植農(nóng)作物并讓我們的土地在面對洪水或干旱災害時更加脆弱。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(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正在全球范圍內(nèi)造成土壤質(zhì)量的退化，而隨著全球人口數(shù)量預計在2050年達到90億，我們?nèi)祟愇磥淼氖澄锇踩媾R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并充分利用其固碳能力，那么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(xiàn)在就開始采取行動，在全球范圍內(nèi)保護土壤所代表的這一關鍵生態(tài)系統(tǒng)，唯有如此我們才能確保它將繼續(xù)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(huán)境。
