【摘要】說(shuō)到土壤，你會(huì)想到什么？爛泥，污泥，塵土——對(duì)于土壤，我們有無(wú)數(shù)種對(duì)它的稱(chēng)呼，我們不會(huì)感覺(jué)到土壤在我們生活中的意義，然而事實(shí)是，如果離開(kāi)了土壤，我們將無(wú)法生存。

對(duì)于幾乎任何生活在陸地上的生命而言，土壤都是非常關(guān)鍵的生存保障，從儲(chǔ)存水分到過(guò)濾水質(zhì)再到調(diào)節(jié)氣候以及防止洪澇災(zāi)害，營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和降解機(jī)制，無(wú)所不包。在我們腳下的土壤同時(shí)也包含著我們所想象不到的生物多樣性，事實(shí)上有一項(xiàng)估算結(jié)果認(rèn)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(shí)至今日，我們?nèi)栽诓粩嗾J(rèn)識(shí)土壤給予我們的驚喜：就在2015年1月份，科學(xué)家們宣布他們?cè)谝环N土壤細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了30年來(lái)的第一種新型抗生素。

來(lái)自“全球土壤生物多樣性倡議”機(jī)構(gòu)（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(duì)于一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)卻至關(guān)重要，這也將最終讓我們?nèi)祟?lèi)得以保持健康?！?/span>

對(duì)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(guó)此前已經(jīng)將2015年定為“世界土壤年”，而剛剛過(guò)去的12月5日又恰好是世界土壤日。因此，如果說(shuō)要選擇一個(gè)合適的時(shí)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(guò)了。但是，土壤最初究竟是從何而來(lái)？為何它們對(duì)于陸生生命如此重要？

在太陽(yáng)系誕生之初，在我們的行星形成之前，形成我們今日所見(jiàn)土壤的原材料正飄蕩在宇宙空間的一片黑暗之中。對(duì)于這種說(shuō)法的證據(jù)就隱藏在一類(lèi)被稱(chēng)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(yáng)系誕生初期，富含大量粘土類(lèi)物質(zhì)，它們構(gòu)成了地球上最早的土壤。

大約46億年前，地球逐漸形成，此時(shí)這些粘土類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成的原始土壤便開(kāi)始在我們這顆年輕行星的表面逐漸積累。但當(dāng)時(shí)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(huì)徹底摧毀這一剛剛出現(xiàn)的原始土壤層。

美國(guó)俄勒岡大學(xué)古土壤專(zhuān)家格里高利·瑞塔萊克（Gregory Retallack）表示：“現(xiàn)在還存在爭(zhēng)議，我們不能確定當(dāng)時(shí)的地球是否整個(gè)表面都是處于熔融狀態(tài)的?！本退麄€(gè)人而言，瑞塔萊克認(rèn)為在任何一個(gè)時(shí)刻，地球上從未出現(xiàn)過(guò)超過(guò)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(kāi)始逐漸穩(wěn)定下來(lái)。此前將地球變?yōu)闊挭z的頻繁隕星撞擊開(kāi)始逐漸消退，于是液態(tài)水體開(kāi)始有機(jī)會(huì)在地球表面形成并累積，湖泊和海洋開(kāi)始出現(xiàn)了。對(duì)于土壤的故事來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重要的時(shí)刻。液態(tài)水造成的風(fēng)化作用會(huì)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(shí)間大約是在35億年前。對(duì)此，一部分最早的證據(jù)來(lái)自化石結(jié)構(gòu)，比如當(dāng)時(shí)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(jié)構(gòu)，直到今天這樣的過(guò)程仍在持續(xù)發(fā)生。

幾乎從誕生的時(shí)刻開(kāi)始，生命便開(kāi)始對(duì)土壤產(chǎn)生影響，并同時(shí)被土壤所影響。舉例而言，那些最早的生物席結(jié)構(gòu)是由能夠進(jìn)行光合作用的有機(jī)體產(chǎn)生的，它們能夠利用太陽(yáng)的能量制造出大量的有機(jī)質(zhì)。這些有機(jī)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(chǔ)存水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的性能很差，而后者都是維持生命的關(guān)鍵物質(zhì)。土壤的這種儲(chǔ)存能力很大程度上與其內(nèi)部顆粒間的孔隙度有關(guān)系，而早期土壤簡(jiǎn)單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)意味著水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠很快流失殆盡。因?yàn)檫@個(gè)原因，當(dāng)時(shí)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(hù)。

沒(méi)有任何生命能夠產(chǎn)生足夠的適應(yīng)力，從而可以離開(kāi)海岸向陸地推進(jìn)，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(shuō)，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(yīng)能力都非常強(qiáng)悍的生命形式

地衣的貢獻(xiàn)

地衣是一類(lèi)令人印象深刻的有機(jī)體。它們的“身體”組織是由藻類(lèi)和真菌共同構(gòu)成的穩(wěn)定而又互利的共生聯(lián)合體，有時(shí)候還有細(xì)菌的參與——它們?nèi)吖餐砹松娜齻€(gè)“界”。而正是受益于這種緊密的互利合作關(guān)系，地衣?lián)碛辛藰O強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

藻類(lèi)可以進(jìn)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(zhǎng)長(zhǎng)的細(xì)絲，非常適合從周?chē)h(huán)境中收集水分。更加重要的是，地衣中還含有一種能夠進(jìn)行光合作用的細(xì)菌，名為藍(lán)藻，這種藻類(lèi)能夠從環(huán)境中汲取氮?dú)獬煞?，而?dāng)它們死亡時(shí)，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(guò)緊密協(xié)作，這些不同的細(xì)小生命將它們各自的技能結(jié)合起來(lái)，逐漸適應(yīng)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(yīng)能力最強(qiáng)的生命形式之一。

美國(guó)新澤西州羅格斯大學(xué)的保羅·法爾科瓦斯基（Paul Falkowski）表示：“地衣能夠征服堅(jiān)硬的巖石。它們還會(huì)分泌酸性物質(zhì)，從而加速巖石的風(fēng)化過(guò)程?！?/span>

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(guò)加速巖石風(fēng)化過(guò)程，地衣更進(jìn)一步增加了土壤中營(yíng)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(jìn)發(fā)鋪平了道路。法爾科瓦斯基說(shuō)：“對(duì)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(méi)?！?/span>

對(duì)陸地的第二輪“殖民”開(kāi)始于大約4.4億年前，早期植物開(kāi)始大舉向陸地蔓延并在這一過(guò)程中更顯著地改變了土壤的性質(zhì)。瑞塔萊克說(shuō)：“它們促成了更明顯的土壤結(jié)構(gòu)，它們還將大量的磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)摻入了土壤之中。這樣做的后果是，它們?cè)黾恿送寥篮秃Ｑ笾袪I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量?！?/span>

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(guān)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的。并且與地衣中的情況一樣，這樣一種合作形式會(huì)對(duì)雙方都有益：“菌根”會(huì)產(chǎn)生大量長(zhǎng)長(zhǎng)的須絲，這增加了植物獲取營(yíng)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(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

菌根的細(xì)絲同時(shí)也會(huì)加速巖石分解，從而釋放出更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括磷，鈣和鐵等等，這些同樣都會(huì)幫助進(jìn)一步增加土壤肥力?？茖W(xué)家們相信這種互利共生的關(guān)系對(duì)于陸地植物的演化過(guò)程是至關(guān)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?yàn)樵?.6億年前甚至連陸生植物都還沒(méi)有出現(xiàn)。

利茲大學(xué)的凱蒂·菲爾德Katie Field）表示：“這種互利關(guān)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(dāng)時(shí)的陸地上甚至根本沒(méi)有我們今天所言的土壤。隨著時(shí)間推移，植物在結(jié)構(gòu)上演化地越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)展出復(fù)雜的維管結(jié)構(gòu)，葉片和根系?！边@一過(guò)程會(huì)將更多有機(jī)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(lèi)似這樣的生物互利共生關(guān)系構(gòu)成了全球營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，一旦離開(kāi)這一循環(huán)我們將陷入饑餓。超過(guò)80%的現(xiàn)代植物與真菌菌根之間構(gòu)建起了某種共生關(guān)系，并且這一機(jī)制對(duì)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(luò)，幫助穩(wěn)定土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)并讓植物之間能夠相互交流，因而它也被科學(xué)家們稱(chēng)作是“地球的互聯(lián)網(wǎng)”。

隨著植物開(kāi)始逐漸向陸地蔓延并將大量有機(jī)物質(zhì)融入土壤之中，土壤的持水性能增強(qiáng)了。土壤對(duì)于水分的保持和過(guò)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(lài)土壤的這項(xiàng)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(duì)于降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并緩解干旱同樣具有重要意義。

擁有鉆洞習(xí)性的動(dòng)物，比如螞蟻，正在改變著土壤的性質(zhì)與面貌

動(dòng)物和人類(lèi)

土壤中的水分被分為兩類(lèi)。在潛水位之下的土壤是完全飽和的，這里的水體被稱(chēng)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(chēng)作“土壤水分”。

地下水構(gòu)成了世界淡水供應(yīng)的20%強(qiáng)，盡管其占世界水體總量的比例還不到1%。地下水構(gòu)成了我們飲用水和灌溉用水的重要來(lái)源，僅在美國(guó)境內(nèi)，土壤中儲(chǔ)存的水量就高達(dá)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(gè)環(huán)節(jié)。大約在4.9億~4.3億年前，動(dòng)物開(kāi)始從海洋登上陸地并逐漸擴(kuò)大自己的生存空間。到了大約4.2億年前，陸生無(wú)脊椎動(dòng)物已經(jīng)高度繁盛，同樣的，它們也會(huì)對(duì)土壤的演化產(chǎn)生影響。

這些早期的陸生動(dòng)物都是“食草”的，以先期占據(jù)陸地的藻類(lèi)生物席和地衣類(lèi)為食并將產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)混入土壤。這些動(dòng)物也開(kāi)始在土壤中鉆洞并占據(jù)了土壤內(nèi)部，吞食死亡的有機(jī)體并將排泄的有機(jī)物與粘土類(lèi)物質(zhì)和其他來(lái)自巖石風(fēng)化產(chǎn)生的礦物質(zhì)成分相混合。動(dòng)物們產(chǎn)生的影響造就了土壤獨(dú)特的結(jié)構(gòu)并幫助植物繼續(xù)演化，在遠(yuǎn)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(zhǎng)。新的無(wú)脊椎動(dòng)物物種不斷出現(xiàn)，包括千足蟲(chóng)、跳蟲(chóng)、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(dāng)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(shí)所有的土壤類(lèi)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(wàn)年前恐龍滅絕之后才會(huì)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(guò)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(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)中，土壤的故事仍在繼續(xù)通過(guò)我們?nèi)祟?lèi)的活動(dòng)而向前發(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(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一樣，都是有害的——過(guò)量的氮元素被沖刷進(jìn)入河道水體，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化并引發(fā)藻類(lèi)生長(zhǎng)的大爆發(fā)，此過(guò)程會(huì)大量產(chǎn)生一氧化二氮，這是一種危險(xiǎn)的溫室氣體，對(duì)于人體是有害的。

這樣的改變是氮循環(huán)體系在過(guò)去的25億年間所經(jīng)歷的最為劇烈的變化，對(duì)于我們的食物供給和氣候穩(wěn)定將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

對(duì)土壤的翻耕破壞了土壤中的菌根結(jié)構(gòu)，并造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞

對(duì)于土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生的擾動(dòng)尤其令人感到擔(dān)憂，因?yàn)橥寥老到y(tǒng)對(duì)于外界施加的變化通常響應(yīng)遲鈍——任何我們?nèi)祟?lèi)現(xiàn)在對(duì)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(shí)間才能逐漸自我修復(fù)。

土壤本身也可以成為一個(gè)溫室氣體排放來(lái)源。通過(guò)蓄積有機(jī)物質(zhì)，土壤是一個(gè)主要的碳儲(chǔ)庫(kù)，使后者不會(huì)以二氧化碳的形式進(jìn)入大氣。然而，當(dāng)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(huì)重新進(jìn)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(guò)整個(gè)美國(guó)的大量二氧化碳，并因此被稱(chēng)為是“21世紀(jì)最大的環(huán)境災(zāi)難”。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一些做法對(duì)于植物菌根同樣會(huì)產(chǎn)生有害后果，削弱了我們的作物從土壤中獲取必須營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力并在這一過(guò)程中造成土壤基本結(jié)構(gòu)的破壞。

事實(shí)上，我們的農(nóng)業(yè)正在逆轉(zhuǎn)數(shù)十億年來(lái)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(shí)際上目前全球有接近一半的表土面積已經(jīng)在過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力都會(huì)下降，使之難以種植農(nóng)作物并讓我們的土地在面對(duì)洪水或干旱災(zāi)害時(shí)更加脆弱。反過(guò)來(lái)，來(lái)自土壤侵蝕的泥沙也必須找到能夠沉積下來(lái)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(gè)局面甚至可能在未來(lái)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(yù)計(jì)在2050年達(dá)到90億，我們?nèi)祟?lèi)未來(lái)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(hù)世界各地的土壤并充分利用其固碳能力，那么我們就有機(jī)會(huì)使土壤來(lái)幫助我們對(duì)抗全球氣候變暖的趨勢(shì)。

或許你我在平常的生活中都幾乎感覺(jué)不到土壤的存在，但它確實(shí)是讓我們每天得以存活的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在就開(kāi)始采取行動(dòng)，在全球范圍內(nèi)保護(hù)土壤所代表的這一關(guān)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(lái)生存的宜居氣候環(huán)境。

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