神奇的土壤

喬治·蒙比奧特

我們腳下的土壤含有萬千奧秘，人類生存的答案是否就在其中？

| 地下迷宮 |

我們腳下踩著一個生態(tài)系統(tǒng)，它的神奇超乎我們的想象。它像雨林和珊瑚礁那樣充滿多種生物。我們99%的食物來自它，但我們對它幾乎一無所知。它，就是土壤。

在沒有人為干預(yù)的地區(qū)，每平方米土壤中可能生活著幾十萬種小動物，其中90%的物種還未被人類命名。不足一茶匙的一克土壤含有長達1000米的真菌絲。

我第一次用高倍放大鏡觀察一抔土壤時，幾乎不敢相信我的眼睛。只要找準焦距，土壤就突然迸發(fā)出生命。我看到了幾十種形狀大小各異的彈尾蟲。圓滾滾、像螃蟹一樣的螨蟲無處不在，有的土壤每平方米含有50萬只螨蟲。有一種像是白色小蜈蚣的蟲子，我查閱資料后才發(fā)現(xiàn)這是另一種叫“幺蚰”的生物。我還看到一種仿佛從日本動畫中走出來的生物：狹長低矮，首尾各伸出兩條纖細的觸角，跳躍起來像一條遒勁的龍或一匹飛馬，它是纓尾蟲。

雖然我擁有動物學(xué)學(xué)位，而且研究了一輩子的自然歷史，但我在這抔土壤中看到的一些動物完全超出了我的認知。在對一克土壤觀察了兩小時后，我見到的動物種類比在塞倫蓋蒂草原游獵一周見到的還要多。

在大多數(shù)人眼里，土壤只是一堆細碎的石頭和死去的植物，但它其實是動物為了生存而建造的一種生物結(jié)構(gòu)，就像蜂巢和河貍壩一樣。微生物用碳把礦物顆粒粘在一起，形成孔穴和通道，水、氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)可以從中經(jīng)過，由此形成的小團塊再被土壤中的動物用來建造更大的迷宮。

無論放大多少倍，土壤的結(jié)構(gòu)都是一致的。細菌、真菌、植物和土壤中的動物共同打造出一個無比精細、錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，自發(fā)構(gòu)成連貫的世界。這種生物結(jié)構(gòu)或許能夠解釋土壤對干旱和洪水的抵抗力：如果土壤只是物質(zhì)的堆積，那它很快就會被沖走。

這也揭示了為何土壤在耕種時能夠快速分解。在特定條件下，當(dāng)農(nóng)民向土地施加氮肥時，土壤中的微生物會把碳——地下城堡的黏合劑——燒盡，從而導(dǎo)致孔隙塌陷、通道閉塞，土壤變得濕潤、緊實、密不透風(fēng)。

|“體外腸道”|

以上還不是土壤真正的奇妙之處。讓我們首先了解一個可能不符合我們普通認知的事實：植物通過光合作用產(chǎn)生的糖分有11%至40%釋放到了土壤中，而且這并不是意外。更奇怪的是，在釋放之前，植物還會把其中一些糖分轉(zhuǎn)化成極其復(fù)雜的化合物。生成這些化合物需要能源和資源，所以這個過程就像是把錢沖進了下水道。那么，植物為什么要這樣做？這個問題的答案將開啟通往秘密花園的一扇門。

事實上，這些復(fù)雜的化合物會進入植物根部附近的土壤，也就是根圍。土壤中充滿細菌，泥土的氣味就是細菌產(chǎn)生的化合物的味道。大多數(shù)時候，細菌都在等待被植物釋放的化合物喚醒。這個過程很復(fù)雜，因為植物只想喚醒促進自己生長的特定細菌，而不是所有細菌。

當(dāng)一棵植物的根莖開始向土壤中釋放化合物時，就會引發(fā)一系列活動。對此作出回應(yīng)的細菌會消耗植物為其提供的糖分，大量繁殖，形成地球上最密集的微生物群。一克根圍土壤中可能含有10億細菌，這些細菌會產(chǎn)生植物所需的營養(yǎng)和生長素等化合物。

回過頭來，你會發(fā)現(xiàn)這有悖于我們對地球生命的了解。植物的根圍位于植物外部，卻發(fā)揮著重要作用，就像植物的一部分。它可以被視為植物的“體外腸道”。植物根圍與人類腸道（這個部位也有大量細菌）之間存在驚人的相似之處：微生物將有機材料分解成植物或人體能夠吸收的簡單化合物。雖然細菌種類超過1000種，但植物根圍和哺乳動物腸道中主要存在的是同樣的四種細菌。

人類乳汁中含有的低聚糖喂養(yǎng)的不是嬰兒，而是嬰兒腸道中的細菌。同樣，新生植物向土壤中釋放大量蔗糖，用來培養(yǎng)新的微生物群。我們腸道中的細菌會攻擊并戰(zhàn)勝入侵的病原體，植物根圍中的益生菌也會在植物根系周圍形成保護圈。我們結(jié)腸中的細菌教會我們的免疫細胞如何防御，植物根圍中的細菌也會完善植物的免疫系統(tǒng)。

土壤也許不如雨林或珊瑚礁那樣令人賞心悅目，但也獨具魅力。人類的生存可能取決于我們對土壤的了解。

| 農(nóng)耕危機 |

如今，我們面臨人類有史以來最嚴峻的危機：在不毀滅地球的前提下養(yǎng)活全世界人口。全球范圍內(nèi)，農(nóng)耕已經(jīng)成為棲息地減少、野生動物死亡和物種滅絕的罪魁禍首，也是本世紀80%的森林遭到砍伐的原因。2.8萬種瀕臨滅絕的物種中，有2.4萬種受到農(nóng)耕的威脅。

情況還有可能進一步惡化?，F(xiàn)在，農(nóng)民種植的糧食約有一半用于喂養(yǎng)家畜，而且，人們對動物產(chǎn)品的需求正在迅速增加。如果不徹底改變我們的飲食習(xí)慣，那么到2050年，全球糧食產(chǎn)量要比2012年多出50%，才能滿足全球需求。

耕種不僅破壞了地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)，也對我們的食物供應(yīng)構(gòu)成了威脅。一項研究顯示，如果氣溫再升高一度，將有32%的地球陸地表面干涸。到本世紀中葉，從葡萄牙到巴基斯坦的弧形地帶將遭遇嚴重干旱。

受到影響的不僅是糧食產(chǎn)量，還有質(zhì)量。在溫度和二氧化碳濃度更高的環(huán)境下種植的農(nóng)作物，其含有的礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和維生素更少。雖然我們很少談及這個問題，但一篇文章指出，糧食所含營養(yǎng)物質(zhì)的減少將“威脅人類生存”。

一些科學(xué)家認為，我們可以通過進一步提高產(chǎn)糧區(qū)的產(chǎn)量來應(yīng)對這些問題。但是，這種希望建立在不現(xiàn)實的假設(shè)之上，其中包括充足的水源。要提升糧食產(chǎn)量，淡水需求量會比現(xiàn)在高146%。然而，這些水并不存在。

過去100年里，我們的用水量增加了五倍。我們從河流、湖泊和地下蓄水層中獲取的水資源有70%用于澆灌農(nóng)作物。目前，全球有40億人每年至少有一個月面臨嚴重缺水，包括圣保羅、開普敦、洛杉磯和金奈在內(nèi)的33座城市面臨極大的用水壓力。隨著地下水用盡，農(nóng)民開始使用冰川和積雪的融水，但即便是這些水，也在日益減少。

至此，我們還沒有講到土壤——巖石和空氣之間薄薄的緩沖層，人類依靠它生存，卻無視它的存在。電子通信、民航、投資保證、知識產(chǎn)權(quán)、精神藥物和體育興奮劑等多個領(lǐng)域都有國際條約，土壤卻沒有。

| 食物難題 |

富裕國家的土壤退化現(xiàn)象相當(dāng)嚴重，土地裸露在冬季雨水中，被過量的化肥和殺蟲劑摧殘，土壤中的食物鏈被切斷。貧窮國家更甚，極端降水、龍卷風(fēng)和颶風(fēng)導(dǎo)致土壤流失，饑餓迫使人們在陡峭的山坡上耕作。

土壤的復(fù)原力或許會陡然消失。我們可能毫無察覺，直到某次突發(fā)災(zāi)害將復(fù)雜的地下系統(tǒng)推到臨界點。發(fā)生嚴重干旱時，退化土壤的流失率可增加6000倍，換句話說，土壤會分崩離析。

《自然·食物》刊發(fā)的一篇研究顯示，養(yǎng)活世界人口的平均最短距離是2200公里，也就是食物必須經(jīng)過的最短距離。對于把小麥等谷物作為主食的人口來說，這一距離是3800公里，而全球1/4依賴這些糧食的人口所需要的食物遠在5200公里之外。

為什么？因為世界上大多數(shù)人居住在大城市或人口密集的谷地，而這些地區(qū)的耕作面積太小，不足以養(yǎng)活這么多人。全球大部分糧食必須種植在人煙稀少的廣闊地帶，比如加拿大草原、美國大平原、俄羅斯和烏克蘭的廣袤土地，然后再運輸?shù)饺丝诔砻艿牡貐^(qū)。

土地使用可以說是最重要的環(huán)境問題。用于耕作的土地越多，留給森林、濕地、草原的面積就越少，野生動植物和物種就會加速滅絕。無論對環(huán)境多么友好和謹慎，農(nóng)耕都會對自然生態(tài)系統(tǒng)進行徹底的簡化和改造。

環(huán)保人士強烈反對城市擴張，反對土地大量用于住房和基礎(chǔ)設(shè)施。但是，農(nóng)業(yè)擴張——使用大片土地生產(chǎn)少量糧食——影響的區(qū)域更大。全世界1%的土地用于建筑，12%用于種植農(nóng)作物，28%用于畜牧業(yè)。相比之下，只有15%的土地用于自然保護。然而，畜牧業(yè)產(chǎn)生的動物肉和奶提供的蛋白質(zhì)僅占全世界的1%。

一篇論文研究了如果所有美國人都不吃谷飼牛肉而改吃草飼牛肉會怎樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于草飼牛成長速度更慢，牛的數(shù)量需要增加30%，而飼養(yǎng)它們所需的草地面積需要增加270%。即使美國為此砍伐森林、排干濕地、澆灌沙漠、貢獻出國家公園，也還是需要進口大多數(shù)牛肉才能滿足需求。目前，美國從全球最大的牛肉出口國巴西進口大部分牛肉。在巴西，許多用于喂養(yǎng)草飼牛的牧場來自對熱帶雨林的非法砍伐。全球范圍內(nèi)，肉類產(chǎn)業(yè)可能會在35年內(nèi)摧毀300萬平方公里生物多樣性極高的地區(qū)，相當(dāng)于印度的面積。

只有在畜牧業(yè)密度很低的情況下，豐富的生態(tài)系統(tǒng)才能正常運行。例如，英國西薩塞克斯郡的奈普野地項目，它經(jīng)常被視為家畜和野生動植物和諧共處的案例。在這里，少量牛和豬在大片莊園中漫步。雖然這是“再野化”的范例，卻對糧食生產(chǎn)毫無助益。如果在英國10%的農(nóng)業(yè)用地上推廣這一模式，如果我們通過這種方式獲取食用肉，那么每人每年只能獲得420克肉，大概是三頓飯的量。如果英國在全國推廣這種模式，那么我們每天通過肉類攝取的熱量將為75千卡，不足標準量的1/30。環(huán)保人士反對集約化耕種，但問題不在于“集約”，而在于“耕種”。破壞地球生態(tài)系統(tǒng)的不是集約型農(nóng)業(yè)或粗放型農(nóng)業(yè)，而是兩者兼有。

| 精準發(fā)酵 |

那么，我們該怎么辦？一個答案是盡可能少地通過農(nóng)耕獲取糧食。幸運的是，我們已經(jīng)擁有這項技術(shù)。精準發(fā)酵技術(shù)利用土壤細菌發(fā)酵水、氫氣、二氧化碳和礦物質(zhì)，進而釀造出蛋白質(zhì)和脂肪，這一技術(shù)有望替代家畜養(yǎng)殖和大豆種植，同時還能大幅降低土地使用面積和其他環(huán)境影響。

不過，這項造福地球的技術(shù)面臨知識產(chǎn)權(quán)的問題：它可以輕易被壟斷全球糧食和肉類貿(mào)易的公司掌握。對此我們應(yīng)該弱化專利，強化反壟斷。在理想情況下，人人都能獲取通過精準發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的食物。

之后，我們可以對食物生產(chǎn)地點進行本地化調(diào)整。當(dāng)?shù)仄髽I(yè)利用精準發(fā)酵技術(shù)為當(dāng)?shù)厥袌鎏峁┊a(chǎn)品。在那些要求食物主權(quán)和食物正義的人看來，微生物發(fā)酵生產(chǎn)的食物是不可接受的，但與農(nóng)耕相比，它其實能夠更高效地實現(xiàn)這兩種目標。此類技術(shù)讓人類自新石器時代以來首次得以改變我們與生物界的關(guān)系。當(dāng)然，我們?nèi)匀恍枰a(chǎn)谷物、根莖食物和果蔬，問題是如何通過安全高效的方式生產(chǎn)？答案可能在于增進對土壤的了解。

| 革新種植 |

英國南牛津郡的一名農(nóng)場主伊恩·托力似乎比科學(xué)家更早研發(fā)出了種植蔬菜的新技術(shù)。托力年近70，身材壯碩。34年前，他以較低的租金承包了七公頃貧瘠的土地?！斑@塊地，一般的菜農(nóng)看都不會看一眼?！彼f，“40%是石頭，他們說這是建筑碎石，不適合耕種。農(nóng)學(xué)家說，這塊地只能長草或種樹，但過去12個月里，我們收獲了120噸果蔬?！?/p>

令人稱奇的是，托力在這片“碎石”上沒有施加任何殺蟲劑、除草劑、礦物質(zhì)、動物糞肥或其他化肥。他發(fā)明了一種他稱之為“無家畜有機”的種植方式。

我第一次參觀托力的農(nóng)場時，他的種植范圍之廣和作物長勢之好讓我感到震驚。他種了100種蔬菜，在農(nóng)場出售。地與地之間是一道道田埂，研究這座農(nóng)場的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，田埂上有75種野花。這些田埂中生活著捕食昆蟲的動物，它們有助于控制農(nóng)作物害蟲。

托力的兩處創(chuàng)新發(fā)揮了重要作用。第一是“打造密不透水的系統(tǒng)”，防止雨水澆透土壤，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)流失，也就是確保土地不能裸露。在托力的農(nóng)場里，蔬菜下面有一層“綠肥”。在南瓜葉下，我看到了幾千株幼苗，這就是托力種下的“綠肥”。作物收割后，“綠肥”會填滿縫隙，給田地鋪上色彩：藍色的菊苣花、深紅的三葉草、黃色的草木樨和車軸草、淡紫色的鐘穗花、粉色的紅豆草……托力說：“只要砍掉大一點的植物，花朵就會盛開，引來蜜蜂狂舞。”

有些作物扎根很深，從下層土壤汲取營養(yǎng)。隔段時間托力就會用收割機翻一遍土，把這些根系切斷。蚯蚓把干枯的根莖拉回土里。托力說，這些“綠肥”能固定營養(yǎng)，提供氮和碳，增加土壤的多樣性。植物種類越多，土壤中的細菌和真菌就越豐富。

托力的另一項創(chuàng)新是，每年在“綠肥”上播撒一毫米厚的堆肥木屑。這樣做了五年后，他的農(nóng)場產(chǎn)量幾乎翻倍。他解釋說：“這不是化肥，而是一種刺激微生物的變質(zhì)劑。木屑里的碳促進細菌和真菌繁殖，讓土壤重新煥發(fā)活力?！蓖辛φJ為，他添加的碳足以幫助微生物重建土壤，但不會多到鎖住氮的地步。這種做法似乎加強了植物根系中各種生物之間的關(guān)系，并使其更為多樣化。細菌在碎石中建造地下城堡，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進植物生長。

托力的成功讓我們再次思考土壤肥力的問題。它不僅關(guān)乎土壤包含的營養(yǎng)物質(zhì)，也關(guān)乎土壤能否在植物最需要的時候提供這些營養(yǎng)物質(zhì)，以及在植物不需要的時候?qū)⑵浒踩珒Υ?。土壤化學(xué)是農(nóng)業(yè)科學(xué)的重要內(nèi)容，隨著我們的深入了解，這門生物學(xué)似乎愈發(fā)重要。

托力的種植模式可以復(fù)制嗎？目前還沒有明確的答案。但是，如果我們能夠?qū)W會在各種氣候和各種土壤條件下增進作物和細菌、真菌之間的關(guān)系，就有可能提產(chǎn)降本。我們對土壤生態(tài)學(xué)的進一步了解有望催生一場綠色革命。

[編譯自英國《衛(wèi)報周刊》]

編輯：要媛