它隐藏在视野之外，暗物质一般，左右着人类文明
咱们用“土壤”的近义词“Earth”来命名地球并非偶然。
作为地球表面最杂乱的栖息地，土壤具有一切其他资源无法比拟的生命力。国际上很少有什么东西能像土壤相同隐藏在视野之外，本质上如此谦卑，被那些依靠它生计的生命视为天经地义。
土壤在已知的国际中是绝无仅有的，配得上咱们星球的姓名，它的故事从一开端就值得叙述。
作者 | 乔·汉德尔斯曼 微生物学家、美国国家科学院院士
译者 | 王飞 我国科学院水利部水土坚持研究所副所长
修改 | 李亚飞 眺望智库
本文为眺望智库书摘，摘编自《无土之地：怎么走出土壤窘境》（社会科学文献出书社2023年7月出书），原文有删减，不代表眺望智库观念。
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土壤三要素：水、岩石和生命
早在土壤呈现之前，地球就构成了。
大爆破理论认为，在开端时，国际的一切物质和能量都被紧缩成了一个无限细微的点，这个点在137亿年前发生了爆破，便是咱们现在所称的大爆破。
从我国空间站组合体眺望地球。图｜新华社发 刘洋 摄
开端时刻，国际很小，密度很大，并且十分热，以至于粒子不或许构成。跟着国际温度的下降，首要构成的是夸克和电子，其次是118种元素中最简略的氢原子——由一个质子和一个电子组成。当温度降至10亿摄氏度以下时，氢原子核交融发生氦。进一步冷却后，巨大的氢气和氦气云呈现，咱们称之为星云，在它们模糊的深处，第一批星系和恒星爆发式构成。
通过数百万年，行星体系逐步老练。星云在引力和磁场效果下坍缩成原恒星，然后国际碎片不断堆集、旋转并通过相撞构成岩石，原行星也终究成为行星。
大约45.5亿年前，太阳系8颗行星中的一颗演变为地球。咱们在花岗岩中发现了44亿年前的矿藏质。因为花岗岩需求水才干构成，所以地质学家揣度早在地球发生的1.5亿年前后，岩石和水就现已存在。前期的地球现已供给了构成土壤的三种要素中的两种——岩石和水。
生命是终究呈现的要素。
最早的化石和岩石记载，将地球上生命的来源定在34.8亿～39.5亿年前的某个时段，但实际上或许还要更早一些。
生命能够被界说为一个能够自我改动和坚持的化学体系。首要呈现的相似地球生命的化学体系或许是自我仿制的RNA分子（与DNA密切相关的单链核苷酸），其次是简略的单细胞生物，它们是细菌和古菌的先人（生命有三个范畴，这是其间两个）。这些前期的单细胞生物或许来源于海底欢腾的热液喷口。不过它们构成的进程仍然是个谜。
一旦生命呈现，它就开端依照天然挑选演化等进程而改动。这一改动的进程是彼此的——环境以挑选压力对生命起效果，生命则通过改动地球的化学物质和大气层来改动它们所在的环境。这两个进程现已持续了30多亿年。
到现在为止，生命改动地球的最富戏剧性的比如是蓝藻发生的氧气，这导致了24.5亿年前的大氧化事情。这些光合细菌使用太阳的能量从大气中的二氧化碳中提取碳，把氧气作为废物开释出来。一旦海洋和其间的矿藏质的氧气到达饱和状况，它就会在空气中堆集。跟着蓝藻的蓬勃开展，越来越多的氧气被开释出来。
今日，简直一切杂乱的生物都需求氧气，这表明微生物在演化进程中影响了数百万物种的推陈出新。
蓝藻细菌使平流层也发生了一个显着改动。跟着氧气在大气中堆集并涣散到平流层，其浓度足以推进臭氧层构成。来自太阳的紫外线能够将氧分子分化成两个氧原子，假如其间一个氧原子与氧分子发生磕碰，就会构成臭氧。假如构成的臭氧足够多，就会构成过滤层，通过吸收足够多的太阳紫外线来维护地球上的生命免受丧命辐射的损伤。
这些事情为植物、动物和微生物的多样化开展和迁移到陆地供给了渠道，也为土壤的构成奠定了根底。
因而，在地球构成后的10亿年内，地球上现已充满了多样化的微生物群落，每个物种都有自己的代谢隐秘，能够在竞赛剧烈的国际中茁壮成长。在绕太阳公转10亿次之后，地球现已开展出土壤构成所需的一切要素。
促进地球上土壤构成和使用的要害事情时刻轴。图源：《无土之地：怎么走出土壤窘境》
2
咱们星球的暗物质
每一抔土壤都叙述着一段故事，每一段故事都和矿藏成分有关。
以二氧化硅为例，作为一种化学物质，能够在海滩、沙漠中找到，也是土壤的要害成分。它是地球表面最丰厚的物质，其特殊特性使其既是地壳（砂岩）的基岩，也是现代科技的主力。
一位工人抱着麦草行走在腾格里沙漠中。图｜新华社记者 卢鹰 摄
公元前6500年前后，古贝都因人发现，当他们将沙子、石灰和水混合在一一起，会发生一种可塑的混合物。这种混合物能够硬化作为建筑材料，其巩固程度与现代混凝土相似。罗马人进一步完善了这种办法，制作了如万神殿和罗马大竞技场这样近乎坚不可摧的建筑，至今耸峙不倒。
公元前4000～前3500年，古埃及人和美索不达米亚人发现，在高温下熔化的沙子，冷却后会硬化成一种咱们称为玻璃的美丽而有用的物质。
在曩昔的两个世纪里，人们发现沙子能够加固柏油路，并开端大规模铺设，导致国际上的沙子面对耗尽的要挟。假如考虑到地球上很多沙漠的存在，这种顾忌听起来会很荒唐。可是，实际上只要存在棱角的沙子才干用作建筑材料，而沙漠中的沙子通过数千年的风吹日晒现已被打磨得过分润滑。
最有名的是，二氧化硅已成为一种令人垂涎的出产计算机芯片的矿藏质，这也是旧金山邻近的计算机工业集群被称为硅谷的原因。
沙粒是土壤中最大的矿藏颗粒，其造就的空地使空气和水得以自在活动。
土壤中最小的颗粒是黏土，它能够和细菌相同细微，并且一般由内部吸附了水分的硅酸盐矿藏质组成。这些硅酸盐会和金属混合，并且通过与水、氧气反响而发生改动。
土壤里中等巨细的颗粒叫粉沙。每个粉沙颗粒都来自地壳以下熔融物质冷却后发生的石英和长石的混合物。粉沙颗粒还含有与钾、钠或钙结合的铝硅基化合物。这些矿藏质被固定在岩石上，而岩石逐步在水和冰的效果下风化。活动的水会冲走岩石，它们在水中被转移的进程中，碎片脱落，刮擦河槽，并彼此研磨，直到被磨损成粉沙颗粒。
在该矿藏质的根底构成中，微生物构成一座大都市，它们在不可思议的近距离内彼此合作并抢夺资源。据估计，全国际有3×1029 种细菌生活在土壤中，适当于一茶匙土壤中就稀有十亿个细菌，一公顷土壤中的细菌分量约与5头奶牛的分量适当。
土壤化学证明了地下微生物的深远影响。
微生物一向持续有力地参加矿藏风化进程，加快天然的化学反响并把本身的化学物质应用于整个进程。例如，某些细菌通过排泄酸性物质来分化矿藏，然后作为本身的养分成分；还有些细菌能够排泄能够从地质物质中置换金属离子的螯合剂。这些化学进程终究能够在土壤剖面中构成数米厚的、显着的不同层次。
对土壤和植物健康具有特别重要意义的是，细菌能够把大气中四氧化二氮这种生物学上的慵懒分子，转化为一种能够被植物使用的氨。这种固氮细菌为前期生态体系供给了首要的氮源，使得植物能够在陆地上生计和繁衍。
现在陆生植物是地球上最丰厚的生命方法，咱们简直不能幻想没有植物的地球会是什么姿态。它们是土壤的管家，为土壤发生、刻画和养分构成供给协助。
至少4.7亿年前，自第一次从海洋迁移到陆地开端，植物改造土壤便开端了，并且每次岩石与植物相遇，这种改动都会持续。
不同巨细体形的动物，从细微的蚯蚓到穴居的獾，在土壤的构成中也扮演着十分重要的人物。
在地球表面之下，很多的土壤栖息地庇护着国际上约25%的被记载的物种，为生物多样性供给了重要的生物库，然后构成了丰厚的生态体系功用。一切土壤中的居民，都通过固结土壤颗粒或建筑空气和水分通道来改造土壤。
自诞生以来，土壤一向是地球不断赠予的礼物。矿藏质在水、微生物、植物和动物的归纳效果下构成混合基质。水把颗粒和生物体向下流运送。植物能够发育成为据点，它们会别离出多糖（长且坚韧的糖链）、蛋白质和DNA，这些物质结组成黏稠的黏液，能够把土壤颗粒捆绑成聚会体或土块，成为相对安稳的全体，为微生物供给居所。微生物把矿藏质转化为不同化学状况，让氮、磷、镁等养分元素更简略或许更难被植物吸收。
跟着植物、动物的逝世，它们的残体会被真菌和细菌分化，这些真菌和细菌将大分子转化为可作为食物的小分子，为其组成本身细胞所需的化学物质供给能量，促进土壤结构和丰厚性的构成。
作为地球表面最杂乱的栖息地，土壤具有一切其他资源无法比拟的奥秘和力气。国际上很少有什么东西能像土壤相同隐藏在视野之外，本质上如此谦卑，被那些依靠它生计的生命视为天经地义。土壤是咱们星球的暗物质。
3
土壤工程
雨后春日走在野外，深吸一口气，你很有或许会闻到泥土的滋味。这种从土壤中发出出来的浓郁气味便是土臭。
当雨滴落在土壤上时，它们会涣散，但不会逗留，许多水分子会与土壤物质结合，或被植物根系和土壤孔隙吸收。图｜图虫构思
土臭素是一种由土壤繁衍细菌开释的化学物质，它的成分十分丰厚，能够为勤劳劳动的微生物供给养分，而这些微生物为咱们发明了食物、水、燃料、建筑材料和药品。
土壤是一个人山人海的商场，一切的顾客——有生命的和无生命的，在这里交流养分。正是在这个商场中，全球碳和氮经济得到了很大程度的办理。碳捕获的进程从植物开端。它们使用通过光合效果固定的碳来完结发生能量和繁衍所需的一切细胞工作。一些碳被归入长而硬的纤维素和木质素的聚合物中，完成植物耸立和抵挡入侵者的防护功用。植物还有一个显着习性，它们进行十分贵重的光合效果进程，然后把多达1/3的固定碳运送到根系周围的土壤中。
根际是根系周围的区域，是微生物的群居场所。根部排泄发生的各种化学物质将这片丰饶的土地与其他相对瘠薄的土地区别开来。细菌在根部游动，贪婪地吞噬甘旨。然后，它们把这些食物转化为胶水，将小颗粒黏在一同，构成聚会体和土块，这是健康土壤结构的典型特征。根际微生物在根部周围构成方阵，维护根部免于被不受欢迎的入侵者和病原体侵袭，并成为它们的食物。植物为它们的微生物居住者源源不断地供给养分，而微生物居住者则通过构建土壤结构和装备宿主以抵挡掠夺者的方法进行报答。
不只要细菌能够用植物的碳来交流其他养分物质。例如，真菌菌根现已与植物合作了4亿年。现在，92%的植物宗族已与土壤中数千种菌根中的一种构成了密切联络。真菌菌丝是长而细的细胞管，延伸到周围的土壤中，在那里它们溶解磷和其他植物无法取得的养分物质。这种共生联络削减了植物对磷肥的需求。跟着全球磷矿供给的削减，作为农业改良剂的磷肥在未来几十年内或许会越来越少。
当土壤群落中的植物、动物和微生物成员因疾病、时节循环、养分约束或变老而逝世时，微生物会分化它们的遗骸，将杂乱的分子还原为更简略的成分，以便能被从头使用。
跟着时刻的推移，分化出的生物物质会变成有机质，这种有机成分能够让肥美和瘠薄的土壤界限清楚。有机质在堆集的一起，坚持养分和水分的才能就会得到改进，然后进步土壤的抗腐蚀和抗压实才能。跟着土壤有机质含量的进步，生物多样性也变得丰厚，然后削减植物病害。有机质能够给上层土壤施加一种黑色或深棕色的色素，和赋予人类皮肤色彩的色素相似，而这些色素便是在土壤微生物和昆虫分化进程中开释出来的。跟着有机质的添加，色素也会添加，并使土壤色彩变深，因而黑土成为肥美土壤的代名词。
土壤有机质供给了地球上最大的碳储量，然后使整个地球获益。据估计，国际各地的土壤固碳量约为25000亿吨，超过了自1750年和工业化开端以来人类活动开释的碳的总量。因而，土壤办理对粮食安全和气候调节都具有全球性影响。
当雨滴落在土壤上时，它们会涣散，但不会逗留。许多水分子会与土壤物质结合，或被植物根系和土壤孔隙吸收。其他分子屈服于重力，通过弯曲弯曲的途径，穿过沙石、粉沙、黏土、有机质、砾石和基岩，终究进入地下水或含水层，流遍大陆地壳的多孔岩层。
地下水约占淡水资源的75%，供给了约40%的灌溉用水和至少50%的饮用水。虽然淡水占地球表面水的份额不到1%（大部分是高盐海水），但地下水却能满意25亿人的日常需求。
水过滤或许是土壤最被忽视的功用。那些从不在泥坑里喝水的人，却很快乐地喝着从泥坑深处抽出来的地下水。那么，在水坑和地下水之间发生了什么？生物和化学污染物被土壤清除了。一些化学物质会附着在土壤颗粒上，而另一些则会被土壤微生物降解。
这种精深技艺在汽油的降解中最为超卓。全国际稀有以百万计的地下汽油储罐，并且大多数在走漏。关于人类来说，这是一个问题。关于微生物来说，这简直便是一次野餐。成群的微生物把汽油撕成碎片，并把这些碎片用于自己的成长和繁衍。假如这些微生物群落消失了，许多人将饮用掺有汽油的地下水。
别的，土壤在过滤病原体方面的体现也十分超卓，这便是为什么粪肥一般被认为是一种安全的肥料。在通过粪肥处理的土地上，发现了很多对人类有害却对农场动物宿主无害的微生物，但它们大多数不会进入地下水。有些病原体因为无法忍受温度、盐分或酸性而在土壤中逝世，而另一些则被竞赛中的土壤微生物吃掉或杀死。
土壤中微生物的多样性或许为人类健康供给了有史以来最大的福祉——抗生素。在霉菌中发现了第一种抗生素（青霉素）之后，人们发现，真实的宝物就隐藏在土壤细菌之中。从20世纪40年代到80年代，微生物学家和制药研究人员发现了很多由土壤细菌发生的抗生素。这些化合物成为抗生素工业的支柱，发生了四环素、万古霉素和链霉素等药物。土壤的奉送真实改动了人类的生计进程，在有抗生素的国家，伤寒、肺结核和斑疹伤寒等疾病现已从十大死因清单里除掉，细菌感染性疾病变得能够被医治并且不再丧命。
但土壤丢失给未来的抗生素发现带来了一个问题。有些抗生素只发现于一种土壤样本，虽然检测的样本有不计其数种。那么，在每年丢失的360亿吨土壤中，有多少抗生素永久不会被发现呢？
从历史上看，多个陈旧（和不那么陈旧）文明溃散的原因便是土壤退化。土壤被耕犁撕碎，因播种而耗竭，越来越简略遭到风蚀和水蚀的影响。
农业导致了当今土壤腐蚀危机的最中心悖论：农业在导致土壤被乱用的一起，又能够进步人们对土壤价值的知道。
现实是，几千年来，人类一向依靠土壤，却并不了解它。去接近、了解土壤，这是一项庄重的职责。
库叔荐书
《无土之地：怎么走出土壤窘境》
社会科学文献出书社
今世闻名微生物学家汉德尔斯曼面向非专业读者，表扬土壤的才能，提醒气候改动、土壤腐蚀、粮食和水安全以及药物发现之间的杂乱联络。她叙述了土壤的来源故事，解说了土壤怎么被腐蚀以及随后在国际范围内发生的影响，并提出了解决方案。
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