比黄金还珍贵的土，是什么土？

　　在科幻电影《火星救援》中，突如其来的沙尘暴将航天员马克·沃特尼独自困在了遥远的火星上。作为植物学家，马克利用联氨制造水分、创设适宜温度并收集火星土壤，在居住舱内种植马铃薯，最终得以获救。

　　NASA模拟的外太空植物种植（上）

　　火星地球化假想图（下）（图：NASA）

　　在我们的蓝色星球上，土壤是维持生物生存的基石之一。那么，如此重要的土壤是从何而来呢？外星的“土壤”与地球上的土壤有哪些不同，又隐藏着哪些秘密呢？

　　先在地球上搞演习，然后送到别的星球上去搞研究（图：壹图网）

　　地球之上，土壤茫茫

　　覆盖在地表的土壤有“地球皮肤”之称，成土母质决定了这个多色“皮肤”的结构和质地。成土母质是地壳表层岩石经过风化作用所形成的松散碎屑，也是构成土壤最原始的物质来源。这些碎屑物与周围环境发生一系列复杂的物理、化学和生物反应，经过成千上万年的历练，才能变成如今我们看到的土壤。

　　地壳只是地球表面的薄薄一层，土壤也只是地壳表面的薄薄一小层（图：shutterstock）

　　目前地球上现存的土壤，生成时间多晚于距今约258.8万年前到约11.7万年前的更新世时期。在时空之旅中，不同成土过程造就了不同土壤独有的性状特征。例如发育在高山冻寒气候条件下的冻土，主要以原始成土过程为主。而发育在高温多雨的热带和亚热带地区的红壤、砖红壤，则主要以脱硅富铝化过程为主。

　　西伯利亚的冻土，与热带雨林的红土，差异巨大（图：shutterstock）

　　十九世纪末，俄罗斯著名土壤学家道库恰耶夫提出土壤发生学说，将母质、气候、生物、地形和时间归纳为五大成土因素，该学说是如今人们理解土壤形成过程的重要依据。依托于不同成土因素的组合，地球上的土壤分布广泛，种类多样。

　　各种各样的土（图：shutterstock）

　　我国辽阔的地域和复杂的气候条件，让土壤分布呈现出较大的区域性状差异。在区域划分上，我国气候分布被划分为东部季风区、蒙新干旱区和青藏高原区三大片区。其中东部季风区的土地资源较为优越，生产潜力也较大。资料显示，该区占全国土地面积的47.6%，但却集中了全国90%左右的耕地和林地。

　　东部季风区、蒙新干旱区和青藏高原区

　　据全国第二次土壤普查结果显示，我国共有12个土纲，涉及61个土地范围，其中高山土、初育土、铁铝土和淋溶土等土壤类型占比较大，是我国土壤资源的重要组成部分。具有肥力的土壤不仅能为生命提供基本居所，也蕴含着丰富的地质学信息。

　　地形因素+土壤因素+降水因素

　　我国适合农业的土地比例其实挺低

　　比如西南地区广布的红土，就比东北黑土要贫瘠得多（图：孙绿、shutterstock）

　　一方面，作为植物生长的介质和陆地表层系统中生物的基因库，土壤的存在为作物栽培学、环境科学等领域提供了新的研究方向。例如向土壤中施加生物炭来提高作物产量；通过指示植物种植对污染土壤进行修复等。

　　生物炭是一种能帮助植物生长的土壤改良剂

　　（图：wikipedia）

　　另一方面，土壤发育历史的研究也能为古气候资料完善和全球气候变化预测做出一定贡献。例如发育在我国黄土高原地区的成土母质——黄土，就是研究第四纪地质时代环境变迁的重要物料。地质学家们通过对黄土沉积序列和其中所含微体化石的探索，细化历史时期的气候变化，并为未来气候预测提供科学依据。

　　从蒙古高原到黄土高原，再到华北平原。漫长时间中的土壤移动造就了我们今天的中国（图：图虫创意）

　　在地质和生物作用下形成的土壤，既是孕育生命的摇篮，也是探寻自然时空奥秘的机器。可以说，每一粒土壤都是一张记录着历史的书页，而地质学则是整本时间之书。

　　除了能探寻地球的起源、历史和结构，地质学也能窥探其他星球上沉睡的秘密，月球就是其中之一。

　　月亮总体上是一块大石头，但月亮上也是有“土壤”的，我们称之为月壤（图：wikipedia@Gregory H. Revera）

　　月宫之中，奥秘探寻

　　月球是地球唯一的天然卫星。在地质构成和地形地貌上，与地球相差颇多。一般认为，月球分为月壳、月幔和月核三大圈层，其中月壳和月幔为坚硬的岩石圈，月核则为塑性软流层。

　　月球表面主要分布有月海、月陆和环形山等独特地貌。例如月海并非指海，而是指月球表面肉眼看上去较暗的巨大低洼平原。而覆盖在月球地貌之上的固体物质，就是我们常常提到的月壤。

　　从月球全球反照率图中可以看到的中部暗区就是月海（左滑看长图 图：USGS）

　　由于无水、无大气以及特殊的天体位置，让月壤与地球上的土壤有着明显差异。地球上的大部分土壤含有机质且具有一定的肥力。而月壤却只是分布在由斜长岩、克里普岩和玄武岩构成的月表基岩之上，由岩石、岩床的碎屑以及撞击产生的玻璃质微粒，并不具备孕育生命的能力。

　　地球土壤是由母质再加上气候，生物等作用而形成，而月球土壤则是因为陨石和微陨石撞击，月球岩石被持续的风化，研磨而形成（ 图：NASA）

　　既然月壤并没啥营养，科学家们为何还要费老大劲来采样研究呢？

　　事实上，对月壤和月球岩石样本的采集，可以填补月球的未知历史，也为研究太阳系的行星演化提供了重要机遇。从上世纪60-70年代阿波罗登月计划带回的382斤月球物质，到我国嫦娥五号对月壤样品的采集，人类在每一次的登月探索中，都能发现一些未知秘密。而这其中，行星地质学知识发挥了不小的作用。

　　阿波罗计划带回的月球物质陆续被地球空气和水分所污染，已经没有太多研究意义，官方也允许向外界出售了（手动挖土 图：NASA）

　　2004年，我国探月工程正式立项，规划为“绕、落、回”三大期。2019年1月3日上午10点26分，嫦娥四号完成了人类探测器首次在月球背面软着陆的壮举，成功登录到月球背面的南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。其携带的玉兔号月球车上的测月雷达也获得了世界上首批月球背面地下结构的数据。

　　左滑看月球背面嫦娥四号着陆点全景图（图：CNSA）

　　“殿前拾得露华新，应是嫦娥掷与人”

　　（嫦娥玉兔在月球 图：CNSA）

　　2020年，嫦娥五号实现了我国首次从月球采样返回的任务。这也是继1976年苏联月球24号采样返回任务后又一次成功的样品采集。据报道，嫦娥五号共采集回1.731公斤月球样品，是地球上目前“最年轻”的样品。

　　科研人员通过对这批样品的玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物的分析，证明了月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比之前推测的时间又早了约8亿年，刷新了人类认知下的月龄。从天外而来的“土壤”，为分析月球热演化历史提供了更具体的新思路。

　　除了用于科学研究外，一些博物馆和展览馆也分到了些微标本，感兴趣的可以去看看，试着召唤下外星人（joke）（图：图虫创意）

　　其次，利用地质学方法对月壤中同位素构成的分析，对未来的深空探测有重要战略意义。例如月壤中含有的一种清洁、安全的气体氦-3，被公认为一种未来将被广泛应用的核聚变燃料。若能合理获取并开发氦-3，则能缓解地球面临的资源枯竭危机。

　　此外，地质学也能为未来月球基地的建设提供基本的知识保障。一些国外行星科学家指出，月球地表下方分布有古火山爆发和岩溶流动过程中形成的熔岩管。这些熔岩管直径可达上千米，或能成为未来建设太空行星基地的基础。

　　左滑查看长长长长图 （图：NASA）

　　左滑看一些想象的月球居所

　　（图：WiKi&NASA）

　　无论是前期的地形勘测、着陆点的选取，任务执行中的自动采样还是后期研究成果的发布，地质学贯穿探月工程始终，并将继续在深空探测中发挥举足轻重的作用。

　　欢迎有志于星辰大海的人来占个坑

　　（壹图网）

　　从地球科考到登月探索，从研究地球岩石到采集月壤样本。看似不起眼的地质学和地质学研究者们正走在创新的最前沿。

　　月球假彩色图像显示出的地质特征

　　（图：NASA）

　　难怪，经历风化和各种地质作用形成的土壤被认作是孕育生命的地方，“破土而出”也一直被用来寓意新生命创新之旅的开始。

　　封面图片：壹图网

　　作者：真果少年糕

　　校稿：朝乾 / 编辑：养乐多

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　　不代表中科院物理所立场

　　来源：地球知识局

　　编辑：藏痴