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土壤到底有多重要?

日期:2019-04-09 11:10浏览次数:

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,土壤是它们生存的必须。

 

         联合国已将2015年定为“世界土壤年”,12月5日是世界土壤日。那么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。但当时的环境非常恶劣:频繁发生且规模巨大的陨星撞击随时会摧毁这一刚刚出现的原始土壤层。大约38亿年前,地球上的情况开始逐渐稳定下来,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

不久之后,地球上最早的生命出现了,时间大约是在35亿年前。几乎从诞生之日起,生命便开始与土壤互为影响。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。

  然而这些并非我们今天所看到的土壤。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。

     地衣是令人印象深刻的一类有机体。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。

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