科普:在“外星土壤”上种农作物可能吗?


土壤是地球上一个复杂的生态系统,其作为人类食物的获取地,为我们提供了大量的资源,除地球之外的火星、月球上也存在有“土壤”。

研究地外行星的土壤是否也具备种植农作物的条件,人类需要面对这样一个问题:不能将这两颗星球上的土壤带回地球实验。办法总是可以想出来的,换个思路研究人员模拟月球和火星的土壤条件,进行农作物栽培试验。

《火星救援》中主角在种马铃薯

地球土壤的种类远比你知道的多

土壤是一种多相体系,由固体、液体和气体共同组成,在很多的人看来土壤平平无奇,无非就是一些泥土和尘埃,但他们却忽视了土壤能够养育生命。你们以前有没有想到过这样一个问题:地球上的土壤种类会有多少?这里先不说全球了只拿中国来举例子,我国幅员辽阔土壤大致呈现为北方黑、南方红、西方白、东部青与中部的黄土,且土壤的pH大多在4.5~8.5范围内,有由南向北pH递增的规律性。

我国典型的黄土地区

我国东北地区气候寒冷且湿润具有鲜明的干湿季分异,有利于暗色的腐质物质,非腐殖物质在土壤中沉淀积累,加以降解速度缓慢,长年累月黑色不断加深,故形成了黑土壤。

受南方气候闷热湿润多雨的影响,土壤中的物质多为含水氧化铁与含水氧化铝,因此呈现红色。

西部气候干旱,水往往会被蒸发掉,土壤含碳酸钠、碳酸钙等物质,可溶性盐在土壤表层聚集,故呈现为白色。

东南沿海地区,土壤在长期淹水的状态下,其中被还原成氧化亚铁而呈灰绿色,故为青色。以上为根据颜色大致分的5类,将我国土壤分布细化还可以得到更多的种类,这里就不再啰嗦了。

土壤为人类提供了95%的食物

土壤是自然界最复杂的生态系统之一,存在于地球陆地表面上的土壤,受地球上的生物、地形、时间、母质、气候、以及人类活动等因素综合影响,且形成一小块土壤都需要耗费大量的时间。

据估计,约有95%的食物直接或间接的来自土壤。因此,食物的可供性取决于土壤,只有优质的土壤才能生产出健康的食物,一小块健康的土壤中含有数以千计的生物,其中就包括无脊椎动物(环节动物、节肢动物、软体动物、线性动物和原生动物)、不计其数的真菌、藻类、细菌以及放线菌等。

二次工业革命以来,由于水土流失、土壤盐碱化、土壤酸化、化学污染和养分枯竭,全球约有33%的土壤正处于中高度的退化中。

月球、火星土壤中含有哪些东西?

美国(阿波罗登月计划,在上世纪60年代-70年代,美国一共进行了7次登月,其中6次成功1次失败)与苏联的探月过程中,探测器相继带回“月壤”样本,在对样本进行分析后,发现了多种矿物质,其中包括有:含金、银、锑、铁、锡和铜等矿物颗粒。后续的分析研究中,陆续有发现含铢颗粒、钝辉钼矿、硫镉矿、碘化铑、铼、氦3、二氧化硅……

好奇号火星车在火星检测“土壤”样本

火星:太阳系第四颗行星紧挨地球,其表面覆盖有赤铁矿,土壤富集高氯酸盐、氧化铁、硫酸盐类矿、碳酸盐等。在2018年6月8日,科学家们报告SAM仪器的数据给出了确凿证据,证明火星上存在有机化合物成分——噻吩,芳香族化合物,以及脂肪族化合物,同年也给出了一篇有关火星大气中甲烷成分的季节性变化的报告。

虽然在探测过程中有发现有机化合物存在的迹象,但未发现有生命存在的迹象,这也是比较可惜之处。火星与月球的土壤上有较丰富的矿物质,为其在土壤中种植农作物提供了可能性,说不定我们以后能吃上地外行星土壤种出来的食物。

直接在火星、月球土壤上种植不可取

为什么说不可以直接在月球、火星上种植农作物不可取,原因有以下几点:

大气环境不支持:受月球引力太小的影响,不能束缚大量的气体分子,与地球大气相比月球大气可忽略不计,这也就解释了“月球被真空包裹”类的话不是空穴来风。二氧化碳是火星大气的主要成分,大气压在 0.4–0.87 kPa,只有地球的0.8%。大气的稀薄给了太阳辐射、宇宙射线可乘之机,植物在这种情况下无法存活。

火星干旱、广阔的地貌

温度不适合:月球温度差异大,有阳光照射时可达到110~140℃,反之可低至零下130~180℃同样的火星一天的温差也在100℃以上。仙人掌科植物耐高温,古人所说的“岁寒三友”耐寒,试问地球上哪种植物能受的了这样的双重折磨。

养分条件:农作物生长需要大量元素:氮磷钾、中量元素:钙镁硫、微量元素:钼铁锰硼铁。但月球、火星土壤中的物质一部分不能支持植物生长,反而其所需要的物质少之又少或者无,尤其是水资源。

总结

综合上面的几点我们不难得到答案,讲到这里你或许会想到,不能建一个类似温室大棚的东西保护一下吗?

我国的火星模拟实验室

这个方法是可行的,看隔壁的马特·达蒙不是就做的很好!不过火星土壤中重金属含量过高如铁、铅及 砷、汞等元素,大量食用之后会引起中毒,从而对人类产生有害影响。

有相关研究指出:火星模拟土壤生物量生长率远远低于地球土壤和月球模拟土壤,研究人员在托盘中种植出蕃茄、豌豆、芝麻菜、小红萝卜、水芹和黑麦。通过加入微量元素改变土壤部分成分,最终的目标是创造火星和月球上生长农作物的基础条件,为首批火星殖民者提供食物。

乐观点,在未来人类或许真能吃上外星土壤种出的菜。

参考文献

https://www.nasachina.cn/

环境化学第二版、戴树桂主编