知否知否，月球种菜可否？
知否知否，月球种菜可否？
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：沈辉
种菜，可能是中国人的传统技能。从高原温室到海外菜地，中国人可谓是走到哪就把菜种到哪。嫦娥五号带回月球“土特产”后，大家立刻开始关心这个问题：“去月球种菜可以吗？”
央视的新闻似乎给大家很关心的事判了“死刑”：
中央电视台关于“月壤不能种菜”的报道
（图片来源：央视新闻）
不过，真的没有希望吗？
嫦娥四号的尝试
早在嫦娥四号时，登月器就已携带装有棉花、油菜种子和果蝇卵的微型生态系统在月球背面登陆了。2019年1月，由重庆大学牵头的嫦娥四号生物科普试验载荷项目团队发布消息称，嫦娥四号搭载了一个微型生态装置，它能利用太阳能电池加热，通过月球表面自然光提供光照，再利用聚酯薄膜保温层和半导体冷热片控制温度，为种子提供适宜的温度、湿度并通过摄像机实时监控。
从开机到断电，生物科普试验载荷在轨工作状态良好，累计工作时间长达212.75小时。身处装置中的棉花种子也成功发芽，成为“月球第一抹绿色”。
这一小小的装置是验证在月球表面建立稳定的生态循环系统的第一步，不过，它与我们在“月球上种菜”还是有些不同：微型生态装置采用的是地球土壤加营养液，若是换成月壤，这些种子还能不能发芽呢？
月壤与地球土壤相比，差在哪？
现代研究倾向于认为，月球起源于地球遭遇撞击后分裂出的碎片。从这个角度出发，可以说月球是地球血脉相连的孩子。
根据早先美国带回月壤的分析结果，月球的土壤成分大部分同地球一样，包含橄榄石（铁硅酸盐，主要成分是铁、镁、硅，同时可含有锰、镍、钴等元素）、长石（含钙钠钾硅酸盐，是一类常见的含钙、钠和钾的铝硅酸盐类造岩矿物）、辉石（钙镁硅酸盐，含有钙、钠、镁和2价铁，也有一些锌、锰和锂等种类的离子）和陨石撞击下形成的二氧化硅颗粒。
细究这些物质的元素可以发现，很多是植物生长所必需的，例如镁元素参与叶绿素的合成，磷元素能刺激植物根系发育等等。这些养分的种类与数量与地球十分接近，但绝大部分是以还原态的形式存在于矿物中，无法被植物直接吸收利用，如何释放如此丰富的资源是“月球种菜”的一大难题。
此外，还有一些元素是月壤没有的，例如氮元素和碳元素。地球土壤中的氮化合物来自于大气，植物或细菌的生物固氮作用和大气雷电产生的含亚硝酸雨水将气态的氮转化为化合物纳入生物圈循环。而月球并不存在大气，给月壤补充氮最理想的方法只能是从地球千里迢迢运输过去。
除了营养物质的含量外，月壤在颗粒度、透气吸水方面的结构特性也与地球土壤迥异。
地球土壤的形成是在风化侵蚀的作用下，风化作用使岩石破碎，物理化学性质改变；碎岩在重力、流水、风力、冰川等作用下形成风化物质并被迁移形成崩积物、冲积物等。大气、水文和土壤生物群落在土壤形成过程中参与塑造了适宜生物群落生存的酸碱度、土壤颗粒度及钾、氮元素含量。
与之相比，月球表面没有大气，也就没有水文气象来参与土壤的塑造。月球表面也覆盖有一层疏松的土壤，这些月壤是在亿万年来陨石和微陨石的撞击、宇宙射线和太阳风粒子的持续轰击、昼夜温差导致岩石破碎的作用下形成的。这也导致了月壤颗粒细碎且棱角多，像水泥粉一样内摩擦力、粘着力大。
月壤的形成
（图片来源：http://image.baidu.com与文献引用[3]）
月壤改造的“利器”
既然月壤有如此多的缺点，那为了让它成为合格的植物温床，势必要制定土壤改良计划。这里可以参考电影《火星救援》，它讲述的是主角马克·沃特尼在火星执行任务时遭遇巨型风暴，被迫独自一人留在火星艰难求生的故事。电影中沃特尼精心计算如何最大限度地利用他在这颗干旱星球上的时间，开始利用自制的肥料种植土豆，成功在火星生存四年之久等到队友的救援，成了一名太空版“鲁宾逊”。
问题来了，让我们想想他为种土豆所做的工作中哪些值得关注？“Oh！Shit！”没错，是他自制的肥料，给土壤补充了有机质和一些元素，更关键的是肥料中所含有的大量微生物。由此可得，要想在月球开启田园时代，土壤微生物必不可少！
地球土壤是微生物生长和繁殖的天然培养基，每克耕作层土壤中包含细菌、真菌（孢子）、放线菌、和原生动物达到数十万量级。有机养分的存在能够给微生物提供绝佳的生存环境。早在上世纪美国登月引发的“月球狂热”时，科学家就提出在月壤中引入微生物进行矿物养分释放和有机养分富集。
土壤微生物可以通过固氮、分解无机磷钾、降解重金属离子实现对土壤的改良。经过微生物的辛勤劳作，月壤中无法被利用的矿物形态的磷、钾、镁、铁等元素会被化合成溶解于土壤水中的离子态，进一步被植物根系吸收利用。分解月壤矿物的过程中，月壤颗粒的棱角也会随之溶解，变得圆滑，像水泥一样的内摩擦力和粘着力以随之降低，月壤的透气性也会极大地改善。
在众多具有改造功能的微生物中，蓝细菌被认为是最具潜力的开拓先锋，这类微生物能够在真空、辐射、干燥、高温和冷冻等极端条件下生存，并且对许多矿物具有溶解作用。此外，蓝细菌也是地球生物圈中固氮和光合作用的重要一环，这也能解决月球土壤中稀缺的碳氮稀缺问题。以微生物为工具，我们可以期待将荒芜凄凉的月球推向“田园时代”。
“种菜”的哲学
“现在的地球，是生命为自己建的家园”。《三体3》中的杨冬在终端大厅用巨型机推演地球演化数学模型时说了这样的语句。倘若缺少了生命的参与，地球的样貌与地狱无异。没有植物的蓄水与荫蔽，沼泽湿地就从未出现；没有森林的遮风挡雨，高耸的山脉将破碎成岩；没有微生物和植物的光合作用，大气的颜色也会污浊不堪。没有生命，大自然也就不复存在！
从古至今，中国人抱持着“天人合一”的自然观，人类既非大自然的主宰，亦非大自然的奴隶，而是大自然的朋友。劳动人民用“月球能否种菜”的疑问传达了想在迢遥的月球改造自然的愿景。我们相信，深刻在中华民族文化里的“天人合一”的自然观没变，农耕民族“DNA里的自觉”也没变。时代在进步，我们将用更先进的科学手段，更强大的工业实力，依托极具创造力的民众，开辟星辰大海的浩瀚前途。
参考文献：
[1]秦利锋,艾为党,唐永康,余青霓,任锦,沈蕴赜,郭双生.模拟月壤对蓝细菌生长特性的影响[J].载人航天,2014,20(06):555-561.
[2] 林呈祥,凌道盛,钟世英,蒋祝金.TJ-1模拟月壤颗粒几何特性[J].东北大学学报(自然科学版),2016,37(03):451-456.
[3] 林呈祥,凌道盛,钟世英.颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用概况[J].浙江大学学报(工学版),2015,49(09):1679-1691.
[4] 郝余祥编著. 土壤微生物[M]. 北京：科学出版社, 1982
[5] 秦利锋,林启美,薛彩荣,艾为党.月球土壤的生物改良试验：固氮蓝藻对模拟月壤肥力的影响[J].航天医学与医学工程,2020,33(06):497-503.
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：沈辉，作者单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所