太空獨(dú)特的環(huán)境為培育適宜地球的植物物種創(chuàng)造了可能性。
上月，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心的研究人員在科學(xué)期刊PLOS ONE發(fā)布了一項關(guān)于太空種植方式的研究成果，論文題為“Intercropping on Mars: A promising system to optimise fresh food production in future martian colonies”（譯：《火星間作種植方式：優(yōu)化人類未來居住地火星上新鮮食品生產(chǎn)的有潛力的系統(tǒng)》，以下簡稱《火星間作種植方式》）。研究團(tuán)隊利用火星風(fēng)化層模擬物（“風(fēng)化層”指不含有機(jī)物或生命的土壤）進(jìn)行了豌豆、胡蘿卜和西紅柿三種作物的種植試驗，并且發(fā)現(xiàn)，在火星上采用古老的間作種植方式（在同一田地與同一生長期內(nèi)，分行或分帶相間種植兩種或兩種以上作物的種植方式）有助于提升部分作物產(chǎn)量。
研究團(tuán)隊成員包括天體生物學(xué)家Rebeca Gon?alves、植物生態(tài)學(xué)家Wieger Wamelink、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)專家Jochem Evers和作物系統(tǒng)分析中心教學(xué)助理Peter van der Putten。該研究不僅使得太空農(nóng)業(yè)研究更進(jìn)一步，同時按照Rebeca Gon?alves的說法，研究的成果也可直接應(yīng)用于地球農(nóng)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)一舉多得的效果。
荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心研究人員正在進(jìn)行種植試驗
圖片來源：hortidaily.com
太空種植不斷嘗試新方式
從英國維珍銀河（Virgin Gaalactic）、藍(lán)色起源（Blue Origin）到Space X，一系列商業(yè)太空飛行公司在商業(yè)太空旅行領(lǐng)域大量投入，曾經(jīng)出現(xiàn)在科幻讀物中的太空生活暢想正一步步邁向現(xiàn)實。亞利桑那州立大學(xué)旗下刊物The State Press科技記者Hunter Rhea表示，“隨著Space Perspective等私營公司宣布在火星居住的長期目標(biāo)，以及美國宇航局（NASA）招募模擬火星生活志愿者，人類如何在另一個星球上生存的問題已不再是假設(shè)?！?/p>
然而，要在太空實現(xiàn)自給自足，尤其是食物供應(yīng)，是一個必須面對的挑戰(zhàn)。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心研究人員在《火星間作種植方式》中指出，“從地球供應(yīng)和補(bǔ)給長期定居所需的所有食物既不切實際，也不經(jīng)濟(jì)”，因此，從保證太空基本飲食需求、均衡營養(yǎng)攝入方面綜合考慮，研究適合太空的食物系統(tǒng)必不可缺。
但現(xiàn)實情況卻是，太空作物種植面臨著巨大挑戰(zhàn)。美國有線電視新聞網(wǎng)CNN撰稿人Nadia Leigh-Hewitson介紹，火星的氧氣較地球稀薄100倍，陽光強(qiáng)度僅有地球的一半，缺乏可利用的淡水資源，且平均氣溫在零下62攝氏度左右，“這是人類計劃進(jìn)行食物生產(chǎn)的最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境”。
圖片來源：NASA
因此，從政府機(jī)構(gòu)到科研院校，多個研究團(tuán)隊長期致力于太空種植相關(guān)研究，嘗試解決太空食物供給問題。2017年，美國賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)教授Edward Guinan帶領(lǐng)學(xué)生開啟了“火星花園”項目，研究哪些植物和蔬菜可以在模擬火星土壤（模擬火星土壤大部分來自于莫哈韋沙漠的火山巖，和火星土壤較為接近）中生長。經(jīng)過實驗，Edward Guinan團(tuán)隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蒲公英、生菜、芝麻菜、菠菜、豌豆、大蒜、紫甘藍(lán)、洋蔥等植物長勢較好，西紅柿、豆科植物、玉米及許多根莖植物難以茁壯成長。 美國阿肯色大學(xué)跨學(xué)科研究團(tuán)隊則通過基因編輯方式創(chuàng)造了新的水稻品種，并且實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過基因編輯的水稻能在模擬火星土壤中生長，且即使在模擬火星土壤中添加少量高氯酸鹽（火星表面發(fā)現(xiàn)的有毒化學(xué)物質(zhì)），新品種依然可以發(fā)芽。
中國的太空種植研究已經(jīng)從地球走向了太空。早在2016年，中國國際空間站的“太空菜園”就嘗試了人工栽培生菜，且生菜長勢喜人。神州十四號載人飛行任務(wù)期間，航天員成功栽培了生菜、小麥和矮桿番茄。去年12月，“太空菜園”中種植的生菜、小蔥、櫻桃番茄也喜獲豐收。
去年12月，中國國際空間站的“太空菜園”豐收
圖片來源：中國載人航天工程網(wǎng)官方微博（視頻截圖）
在過去研究的基礎(chǔ)上，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心研究人員的研究方向不止是探索適合太空種植的食物，而是在于如何使太空種植的植物可以更加茁壯地成長，并且對地球農(nóng)業(yè)發(fā)展有啟迪作用。因此，研究團(tuán)隊嘗試采用古老的間作種植方式，利用巖石、灰塵和沙子的混合物模擬火星風(fēng)化層，并在其中種植了豌豆、胡蘿卜和西紅柿。
Rebeca Gon?alves解釋，選擇以上三種植物一方面是出于營養(yǎng)價值考慮，另一方面，三種植物也是具有互補(bǔ)特性的伴生植物，豌豆是可以“固氮”的豆科植物，胡蘿卜可以幫助土壤通氣，番茄既可以為胡蘿卜提供遮蔽，也可以為豌豆生長提供攀爬支撐。實驗發(fā)現(xiàn)，三種植物的長勢好壞參半，番茄表現(xiàn)較好，胡蘿卜和豌豆相較于單作種植方式（一塊土地只種植一種作物）產(chǎn)量更低。番茄在采用間作種植時的豐收程度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單作方法，不僅產(chǎn)量翻番，而且番茄生長更快、根莖也更為粗壯。
采用間作種植（左）和單作種植（右）培育的番茄
圖片來源：Wageningen University & Research/Rebeca Gon?alves
太空農(nóng)業(yè)研究如何造福地球？
研究不僅發(fā)現(xiàn)了間作種植對番茄更有效，而且Rebeca Gon?alves表示，研究更重要的意義在于，發(fā)現(xiàn)了太空領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)種植方式“可以直接應(yīng)用于地球上的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”。團(tuán)隊不僅在模擬太空土壤中進(jìn)行了間作種植，同時也在沙質(zhì)土壤中按照相同的種植方式進(jìn)行了對照試驗，并且發(fā)現(xiàn)采用間作種植可以提升豌豆、番茄的產(chǎn)量。
亞利桑那大學(xué)可控環(huán)境農(nóng)業(yè)研究中心主任Gene Giacomelli表示，盡管該研究為如何在火星上使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方法提供了“誘人見解”，但間作種植可能不是太空上最理想的農(nóng)業(yè)種植方式，該方案更適用于地球上貧瘠的、難以用作耕地的土壤。
間作種植作為古老的種植模式，有諸多優(yōu)勢，不僅有助于提升產(chǎn)量，而且相較于單作種植，間作種植需要的土地面積和消耗的水資源都更少。但是環(huán)境雜志Grist作者Ayurella Horn-Mullerchan介紹，這種古老的種植模式僅在部分地區(qū)（拉丁美洲、非洲和中國部分區(qū)域）為小型農(nóng)戶所用，在世界大部分地區(qū)仍然受關(guān)注度較低。原因包括，管理間作種植的農(nóng)田更為復(fù)雜、現(xiàn)代育種傾向于針對單一作物品種進(jìn)行改良。
間作種植
圖片來源：geopard.tech
Rebeca Gon?alves指出，首先，間作種植是應(yīng)對地球不可持續(xù)耕作方式的解決方案，目前全球土地退化情況非常嚴(yán)重，退化率已經(jīng)高達(dá)40%，而間作種植可以有效提升土地利用率，其所需的土地相較于單作種植模式少19%。其次，“間作種植對于解決一些氣候變化問題確實有很大的潛力”，間作種植不僅減少了對自然資源的消耗，而且在保證生物多樣性的同時有助于改善原本貧瘠的土壤。
在Rebeca Gon?alves看來，太空農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的影響范圍不僅在于太空，“我們的首要任務(wù)是開發(fā)太空農(nóng)業(yè)新方案并且造福地球”，雖然了解在其他星球的惡劣環(huán)境下種植農(nóng)作物有科學(xué)意義，但是“我們進(jìn)行的每一項研究都必須對地球產(chǎn)生直接的益處”。
太空農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新，也確實賦予著地球農(nóng)業(yè)新的解決方案。首先，包括《火星間作種植方式》在內(nèi)的研究，探索了在惡劣的太空氣候下種植植物的方式，這類方式對地球農(nóng)業(yè)種植亦有極高的借鑒和參考作用，并且尤其對于土壤貧瘠、受氣候變化影響較大的區(qū)域幫助更大。
圖片來源：grist.org
其次，太空農(nóng)業(yè)研究的研究成果也可以更好地支持地球農(nóng)業(yè)的發(fā)展。美國宇航局正在研究太空的微重力環(huán)境和其他因素如何影響土壤微生物群落的相互作用，美國宇航局生物和物理科學(xué)部門副首席科學(xué)家Mamta Patel Nagaraja解釋，微生物群落的相互作用影響著土壤中的碳含量和營養(yǎng)水平，因此提高相關(guān)領(lǐng)域的理解亦有助于優(yōu)化地球上的土壤微生物群落，從而提高地球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。
另外，太空獨(dú)特的環(huán)境也為培育適宜地球的植物物種創(chuàng)造了可能性。根據(jù)中國國家航天局介紹，目前中國航天工程的任務(wù)之一就是完成太空育種，農(nóng)作物種子或試管種苗通過航天器送到太空，利用太空特殊的、地面無法模擬的高真空、宇宙高能離子輻射、宇宙磁場、高潔凈的環(huán)境誘變作用，使種子產(chǎn)生變異，并且在種子返回地面后選育攜帶新性狀的新種子、新材料，培育新品種。海南日報記者劉夢曉去年介紹，中國通過航天育種實驗項目已經(jīng)創(chuàng)造出4萬余份空間誘變種質(zhì)材料，育成新品種460多個，顯著提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。
海南航天工程育種研發(fā)中心培育的“太空南瓜”
圖片來源：海南航天工程育種研發(fā)中心
太空農(nóng)業(yè)研究是探索太空的必經(jīng)之路，也對地球發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。正如Rebeca Gon?alves所強(qiáng)調(diào)的，“我們從太空農(nóng)業(yè)中獲得的所有知識都可以直接并實際應(yīng)用于地球”，當(dāng)太空農(nóng)業(yè)研究既能為未來太空生活創(chuàng)造出適合的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，又能恢復(fù)地球上貧瘠土壤的活力時，則相關(guān)研究可以真正實現(xiàn)科學(xué)探索與環(huán)境保護(hù)的雙贏。
