太空獨特的環(huán)境為培育適宜地球的植物物種創(chuàng)造了可能性。
上月，荷蘭瓦赫寧根大學及研究中心的研究人員在科學期刊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》）。研究團隊利用火星風化層模擬物（“風化層”指不含有機物或生命的土壤）進行了豌豆、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。
研究團隊成員包括天體生物學家Rebeca Gon?alves、植物生態(tài)學家Wieger Wamelink、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)專家Jochem Evers和作物系統(tǒng)分析中心教學助理Peter van der Putten。該研究不僅使得太空農(nóng)業(yè)研究更進一步，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。
荷蘭瓦赫寧根大學及研究中心研究人員正在進行種植試驗
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，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)和補給長期定居所需的所有食物既不切實際，也不經(jīng)濟”，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，從政府機構(gòu)到科研院校，多個研究團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天文學和天體物理學教授Edward Guinan帶領(lǐng)學生開啟了“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、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。 美國阿肯色大學跨學科研究團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)”。團隊不僅在模擬太空土壤中進行了間作種植，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)田更為復雜、現(xiàn)代育種傾向于針對單一作物品種進行改良。
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重，退化率已經(jīng)高達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)作物有科學意義，但是“我們進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部門副首席科學家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)展有深遠影響。正如Rebeca Gon?alves所強調(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)科學探索與環(huán)境保護的雙贏。
