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土壤来自何处?

2020年6月3日  来源:万物起源 作者:《新科学家》 提供人:zhongzhi83......

土气无教养(common as muck)。像土一样廉价(dirt cheap)。弄脏了(soiled)。我们脚下的土很难让人感受到诗意。但如果细加端详,你会发现它是种美丽的东西。

土壤覆盖了地球的大部分表面。如果没有土,地球将是一个非常不同而且充满敌意的地方。

不同的土壤千差万别,但大体而言,它们都是混合物,固态物质和孔隙各占一半。固态物质主要是小石块和有机物(死的活的都有)。孔隙并不是空的,而是以不同比例充满了水和气体。然而,这张简单的成分清单尚不足以构成土壤。要想得到成品,还需要根据一份复杂而冗长的处方来炮制这些东西。

大多数土壤的起点是裸露的基岩。这些基岩因风化而受到侵蚀,产生了更小的碎片,积聚在表面。“风化”是一个贴切的词。当岩石受到风、雨、冰雹的袭击,又因为周期性的冰冻和融解而变得脆弱易碎时,就会发生风化。温度上升和下降时,热气流的膨胀和收缩也会产生类似的效果。

岩石还会被雨水中的化学物质所侵蚀,这些化学物质会溶解一些矿物。最后是生物风化。裸露的岩石起初被分泌腐蚀酸的细菌和其他微生物占据,接下来是地衣和藻类,它们对岩石的物理附着是强大的腐蚀因素。在夏威夷贫瘠土地上的实验表明,地衣至少能使风化加速100倍。

在成熟的土壤中,生物风化更为严重。无脊椎动物、真菌和细菌的呼吸产生了二氧化碳,积聚在土壤颗粒之间。渗入土壤的雨水溶解了二氧化碳,形成碳酸。土壤中的有机物还产生了其他酸性物质。土壤也有类似海绵的作用,在降雨之后延长了其下方岩石保持湿润的时间,这意味着化学风化可以持续更久。如此一来,土壤成了生成自身的催化剂。

最初的微生物殖民者还开启了土壤的有机化。地衣和藻类利用了这些微生物留下的东西,先用活的然后用死的有机物质逐渐覆盖了岩石。当有机物质积聚得足够多,蠕虫和节肢动物这类较大的生物就会搬进来。它们在挖掘洞穴的过程中将有机物质和矿物颗粒混合在一起,形成了孔隙空间。蠕虫分泌的黏液还能将这些东西粘在一起并固定下来。一块土壤就这样诞生了。

优雅地老去

随着土壤变厚和成熟,它可能会分化成几层,顶部是表层土,底部是下层土。一块成熟的土壤中充满了各种生命。1克土壤可能含有1亿个细菌和古细菌、1000万个病毒和1000个真菌,更不要说较大的有机物和植物根系了。单是细菌就可能有100万种。

毫不奇怪,这一切都需要时间。风化的过程费时费力,地衣生长极为缓慢。对近期夏威夷熔岩流的研究表明,至少需要一百年甚至一万年才能形成原始土壤。一百年前形成的熔岩流现在几乎仍然是不毛之地;甚至一万年前形成的那些熔岩流也只是刚刚形成某种类似土壤的东西。这表明,覆盖地球大部分面积的肥沃土壤需要千万年才能形成。非洲和澳大利亚的一些土壤可以追溯到1亿4400万年前的白垩纪时期。

20000种褐色

今天的土壤的多样性令人吃惊。基岩、气候、地形、当地生态系统和土壤年代都会影响其组成。就像对生命形态进行分类一样,我们借助于一个详尽的分类系统来把握土壤的多样性。例如,与物种分类相似,美国农业部把土壤分成目、亚目、大群、亚群、族和系。仅在美国,就有20000多种土壤被编目。

而土壤的出现比那还要早。已知最早的古土壤——化石土壤可以追溯到20亿年前,远在植物出现之前,当然更在植物占领陆地之前。这些土壤绝非原始贫瘠,而是肥厚丰腴。其中一些有一半体积是黏土矿物,后者是基岩大规模风化的最终产物。这是至少在数十万年间保持稳定的土壤的典型特征。

高地土壤

没有理由认为,古土壤的形成过程与现代土壤截然不同,尽管当时并无多细胞生物——植物、蠕虫和节肢动物——施展其魔力。或许连地衣也没有,有关它们的化石记录太稀少了,无法确知是否如此。最合理的情况是,土壤是在数十亿年前占领地表的耐寒细菌的作用下形成的。

与这个业已逝去的世界情形最接近的是犹他州峡谷地国家公园的沙漠高地。烈日当空,凉风吹拂,细菌、地衣和苔藓在岩石表面竭力生长,共同形成了所谓的隐花植物结皮。与这层结皮混杂在一起的是薄薄一层矿物和有机物的碎屑,换句话说,一种土壤。游客们只能走标记过的小路,以保护这层脆弱的土壤;一脚下去就可能踩碎结皮,使下方的土壤暴露出来遭到侵蚀。侵蚀一旦开始,就会灾难性地蔓延。

我们需要在全球范围内做好保护工作。根据联合国的说法,农业和建筑破坏了世界上超过三分之一的土壤,我们正以每分钟30个足球场的速度失去肥沃的表土。鉴于我们95%的食物是从土壤中生长出来的,土壤中包含的碳是整个大气层的三倍,其更新换代需要成千上万年,我们真的需要采取行动了。救救我们的土壤!

地球

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