它隐藏在视线之外，暗物质一般，左右着人类文明

我们用“土壤”的同义词“Earth”来命名地球并非巧合。

作为地球表面最复杂的栖息地，土壤拥有所有其他资源无法比拟的生命力。世界上很少有什么东西能像土壤一样隐藏在视线之外，本质上如此谦卑，被那些依赖它生存的生命视为理所当然。

土壤在已知的宇宙中是独一无二的，配得上我们星球的名字，它的故事从一开始就值得讲述。

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 中国科学院水利部水土保持研究所副所长

编辑 | 李亚飞 瞭望智库

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早在土壤出现之前，地球就形成了。

大爆炸理论认为，在开始时，宇宙的所有物质和能量都被压缩成了一个无限微小的点，这个点在137亿年前发生了爆炸，就是我们现在所称的大爆炸。

从中国空间站组合体遥望地球。图｜新华社发 刘洋 摄

最初时刻，宇宙很小，密度很大，而且非常热，以至于粒子不可能形成。随着宇宙温度的下降，首先形成的是夸克和电子，其次是118种元素中最简单的氢原子——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，氢原子核融合产生氦。进一步冷却后，巨大的氢气和氦气云出现，我们称之为星云，在它们朦胧的深处，第一批星系和恒星爆发式形成。

经过数百万年，行星系统逐渐成熟。星云在引力和磁场作用下坍缩成原恒星，而后宇宙碎片不断积累、旋转并通过相撞形成岩石，原行星也最终成为行星。

大约45.5亿年前，太阳系8颗行星中的一颗演变为地球。我们在花岗岩中发现了44亿年前的矿物质。由于花岗岩需要水才能形成，所以地质学家推断早在地球产生的1.5亿年前后，岩石和水就已经存在。早期的地球已经提供了形成土壤的三种要素中的两种——岩石和水。

生命是最后出现的要素。

最早的化石和岩石记录，将地球上生命的起源定在34.8亿～39.5亿年前的某个时段，但实际上可能还要更早一些。

生命可以被定义为一个能够自我改变和维持的化学系统。首先出现的类似地球生命的化学系统可能是自我复制的RNA分子（与DNA密切相关的单链核苷酸），其次是简单的单细胞生物，它们是细菌和古菌的祖先（生命有三个领域，这是其中两个）。这些早期的单细胞生物可能起源于海底沸腾的热液喷口。不过它们形成的过程仍然是个谜。

一旦生命出现，它就开始按照自然选择演化等过程而改变。这一变化的过程是相互的——环境以选择压力对生命起作用，生命则通过改变地球的化学物质和大气层来改变它们所处的环境。这两个过程已经持续了30多亿年。

到目前为止，生命改变地球的最富戏剧性的例子是蓝藻产生的氧气，这导致了24.5亿年前的大氧化事件。这些光合细菌利用太阳的能量从大气中的二氧化碳中提取碳，把氧气作为废物释放出来。一旦海洋和其中的矿物质的氧气达到饱和状态，它就会在空气中积聚。随着蓝藻的蓬勃发展，越来越多的氧气被释放出来。

今天，几乎所有复杂的生物都需要氧气，这表明微生物在演化过程中影响了数百万物种的新陈代谢。

蓝藻细菌使平流层也发生了一个显著变化。随着氧气在大气中积累并扩散到平流层，其浓度足以推动臭氧层形成。来自太阳的紫外线可以将氧分子分解成两个氧原子，如果其中一个氧原子与氧分子发生碰撞，就会形成臭氧。如果形成的臭氧足够多，就会形成过滤层，通过吸收足够多的太阳紫外线来保护地球上的生命免受致命辐射的伤害。

这些事件为植物、动物和微生物的多样化发展和迁移到陆地提供了平台，也为土壤的形成奠定了基础。

因此，在地球形成后的10亿年内，地球上已经充满了多样化的微生物群落，每个物种都有自己的代谢秘密，可以在竞争激烈的世界中茁壮成长。在绕太阳公转10亿次之后，地球已经发展出土壤形成所需的所有要素。

促成地球上土壤形成和利用的关键事件时间轴。图源：《无土之地：如何走出土壤困境》

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每一抔土壤都讲述着一段故事，每一段故事都和矿物成分有关。

以二氧化硅为例，作为一种化学物质，可以在海滩、沙漠中找到，也是土壤的关键成分。它是地球表面最丰富的物质，其非凡特性使其既是地壳（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、石灰和水混合在一起时，会产生一种可塑的混合物。这种混合物可以硬化作为建筑材料，其坚固程度与现代混凝土类似。罗马人进一步完善了这种方法，建造了如万神殿和罗马大竞技场这样近乎坚不可摧的建筑，至今屹立不倒。

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我们称为玻璃的美丽而有用的物质。

在过去的两个世纪里，人们发现沙子可以加固柏油路，并开始大规模铺设，导致世界上的沙子面临耗尽的威胁。如果考虑到地球上大量沙漠的存在，这种顾虑听起来会很荒谬。但是，实际上只有存在棱角的沙子才能用作建筑材料，而沙漠中的沙子经过数千年的风吹日晒已经被打磨得太过光滑。

最有名的是，二氧化硅已成为一种令人垂涎的生产计算机芯片的矿物质，这也是旧金山附近的计算机产业集群被称为硅谷的原因。

沙粒是土壤中最大的矿物颗粒，其造就的空隙使空气和水得以自由流动。

土壤中最小的颗粒是黏土，它可以和细菌一样细小，并且通常由内部吸附了水分的硅酸盐矿物质组成。这些硅酸盐会和金属混合，并且通过与水、氧气反应而发生变化。

土壤里中等大小的颗粒叫粉沙。每个粉沙颗粒都来自地壳以下熔融物质冷却后产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。这些矿物质被固定在岩石上，而岩石逐渐在水和冰的作用下风化。流动的水会冲走岩石，它们在水中被搬运的过程中，碎片剥落，刮擦河床，并相互研磨，直到被磨损成粉沙颗粒。

在该矿物质的基础构成中，微生物形成一座大都市，它们在难以想象的近距离内相互合作并争夺资源。据估计，全世界有3×1029 种细菌生活在土壤中，相当于一茶匙土壤中就有数十亿个细菌，一公顷土壤中的细菌重量约与5头奶牛的重量相当。

土壤化学证明了地下微生物的深远影响。

微生物始终持续有力地参与矿物风化过程，加速自然的化学反应并把自身的化学物质应用于整个过程。例如，某些细菌通过分泌酸性物质来分解矿物，从而作为自身的营养成分；还有些细菌可以分泌能够从地质物质中置换金属离子的螯合剂。这些化学过程最终可以在土壤剖面中形成数米厚的、明显的不同层次。

对土壤和植物健康具有特别重要意义的是，细菌可以把大气中四氧化二氮这种生物学上的惰性分子，转化为一种可以被植物利用的氨。这种固氮细菌为早期生态系统提供了主要的氮源，使得植物可以在陆地上生存和繁殖。

目前陆生植物是地球上最丰富的生命形式，我们几乎不能想象没有植物的地球会是什么样子。它们是土壤的管家，为土壤产生、塑造和养分形成提供帮助。

至少4.7亿年前，自第一次从海洋迁移到陆地开始，植物改造土壤便开始了，而且每次岩石与植物相遇，这种改变都会继续。

不同大小体形的动物，从微小的蚯蚓到穴居的獾，在土壤的形成中也扮演着非常重要的角色。

在地球表面之下，无数的土壤栖息地庇护着世界上约25%的被记录的物种，为生物多样性提供了重要的生物库，进而形成了丰富的生态系统功能。所有土壤中的居民，都通过固结土壤颗粒或修建空气和水分通道来改造土壤。

自诞生以来，土壤一直是地球不断赠予的礼物。矿物质在水、微生物、植物和动物的综合作用下形成混合基质。水把颗粒和生物体向下游输送。植物可以发育成为据点，它们会分离出多糖（长且坚韧的糖链）、蛋白质和DNA，这些物质结合成黏稠的黏液，可以把土壤颗粒束缚成团聚体或土块，成为相对稳定的整体，为微生物提供居所。微生物把矿物质转化为不同化学状态，让氮、磷、镁等营养元素更容易或者更难被植物吸收。

随着植物、动物的死亡，它们的残体会被真菌和细菌分解，这些真菌和细菌将大分子转化为可作为食物的小分子，为其合成自身细胞所需的化学物质提供能量，促进土壤结构和丰富性的形成。

作为地球表面最复杂的栖息地，土壤拥有所有其他资源无法比拟的神秘和力量。世界上很少有什么东西能像土壤一样隐藏在视线之外，本质上如此谦卑，被那些依赖它生存的生命视为理所当然。土壤是我们星球的暗物质。

3

雨后春日走在户外，深吸一口气，你很有可能会闻到泥土的味道。这种从土壤中散发出来的浓郁气味就是土臭。

当雨滴落在土壤上时，它们会分散，但不会停留，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｜图虫创意

土臭素是一种由土壤滋生细菌释放的化学物质，它的成分非常丰富，可以为辛勤劳作的微生物提供养分，而这些微生物为我们创造了食物、水、燃料、建筑材料和药品。

土壤是一个熙熙攘攘的市场，所有的消费者——有生命的和无生命的，在这里交换营养。正是在这个市场中，全球碳和氮经济得到了很大程度的管理。碳捕获的过程从植物开始。它们利用通过光合作用固定的碳来完成产生能量和繁殖所需的所有细胞运转。一些碳被纳入长而硬的纤维素和木质素的聚合物中，实现植物挺立和抵御入侵者的防御功能。植物还有一个显著习性，它们进行非常昂贵的光合作用过程，然后把多达1/3的固定碳输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。根部分泌产生的各种化学物质将这片富饶的土地与其他相对贫瘠的土地区分开来。细菌在根部游动，贪婪地吞噬美味。然后，它们把这些食物转化为胶水，将小颗粒黏在一起，形成团聚体和土块，这是健康土壤结构的典型特征。根际微生物在根部周围形成方阵，保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提供营养，而微生物居住者则通过构建土壤结构和武装宿主以抵御掠夺者的方式进行回报。

不只有细菌可以用植物的碳来交换其他营养物质。例如，真菌菌根已经与植物合作了4亿年。如今，92%的植物家族已与土壤中数千种菌根中的一种形成了密切联系。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获得的营养物质。这种共生关系减少了植物对磷肥的需求。随着全球磷矿供应的减少，作为农业改良剂的磷肥在未来几十年内可能会越来越少。

当土壤群落中的植物、动物和微生物成员因疾病、季节循环、营养限制或衰老而死亡时，微生物会分解它们的遗骸，将复杂的分子还原为更简单的成分，以便能被重新利用。

随着时间的推移，分解出的生物物质会变成有机质，这种有机成分可以让肥沃和贫瘠的土壤界线分明。有机质在积累的同时，保持营养和水分的能力就会得到改善，从而提高土壤的抗侵蚀和抗压实能力。随着土壤有机质含量的提高，生物多样性也变得丰富，从而减少植物病害。有机质可以给上层土壤施加一种黑色或深棕色的色素，和赋予人类皮肤颜色的色素类似，而这些色素就是在土壤微生物和昆虫分解过程中释放出来的。随着有机质的增加，色素也会增加，并使土壤颜色变深，因此黑土成为肥沃土壤的代名词。

土壤有机质提供了地球上最大的碳储量，从而使整个地球受益。据估计，世界各地的土壤固碳量约为25000亿吨，超过了自1750年和工业化开始以来人类活动释放的碳的总量。因此，土壤管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，它们会分散，但不会停留。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，经过蜿蜒曲折的路径，穿过沙石、粉沙、黏土、有机质、砾石和基岩，最后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%，提供了约40%的灌溉用水和至少50%的饮用水。尽管淡水占地球表面水的比例不到1%（大部分是高盐海水），但地下水却能满足25亿人的日常需求。

水过滤可能是土壤最被忽视的功能。那些从不在泥坑里喝水的人，却很高兴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。

这种精湛技艺在汽油的降解中最为出色。全世界有数以百万计的地下汽油储罐，而且大多数在泄漏。对于人类来说，这是一个问题。对于微生物来说，这简直就是一次野餐。成群的微生物把汽油撕成碎片，并把这些碎片用于自己的生长和繁殖。如果这些微生物群落消失了，许多人将饮用掺有汽油的地下水。

另外，土壤在过滤病原体方面的表现也非常出色，这就是为什么粪肥通常被认为是一种安全的肥料。在经过粪肥处理的土地上，发现了大量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。有些病原体由于无法忍受温度、盐分或酸性而在土壤中死亡，而另一些则被竞争中的土壤微生物吃掉或杀死。

土壤中微生物的多样性可能为人类健康提供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，真正的宝贝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大量由土壤细菌产生的抗生素。这些化合物成为抗生素工业的支柱，产生了四环素、万古霉素和链霉素等药物。土壤的馈赠真正改变了人类的生存进程，在有抗生素的国家，伤寒、肺结核和斑疹伤寒等疾病已经从十大死因清单里剔除，细菌感染性疾病变得可以被治疗而且不再致命。

但土壤流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，尽管检测的样本有成千上万种。那么，在每年流失的360亿吨土壤中，有多少抗生素永远不会被发现呢？

从历史上看，多个古老（和不那么古老）文明崩溃的原因就是土壤退化。土壤被耕犁撕碎，因耕种而耗竭，越来越容易受到风蚀和水蚀的影响。

农业导致了当今土壤侵蚀危机的最核心悖论：农业在导致土壤被滥用的同时，又可以提高人们对土壤价值的认识。

现实是，几千年来，人类一直依赖土壤，却并不了解它。去亲近、了解土壤，这是一项庄严的责任。