火星基地农业：低重力对水流速、营养循环以及微生物生物量动态的影响

摘要

地外前哨基地（如火星）的长期驻留生命保障生物再生策略最新进展表明：与水培和雾培相比，基于土壤的作物种植是分解废物、分离碳、制造氧以及生物过滤水的有效途径，但在0．38G重力条件下的火星温室内，能否利用土壤系统进行可持续的作物种植还未知。最具挑战的几个方面都与重力诱导的土壤中水流速有关，因为水对驱动养分和氧气在气相和液相中输送至关重要。低于lG的重力加速度可以导致微生物和根的窒息，并伴随有毒气体的散发。本文采用一个高度机械化模型来研究火星重力对土壤过程的影响，该模型事先对地面作物、土壤水力学和养分生物地球化学进行检验，计算出了地球重力以及0．38G火星重力条件下，生物再生作物种植单元中的NO3-溶质的渗漏率，NH3、CO2、NO以及N2的气体通量，土壤一定区间深度的O2、CO2和溶解有机碳（DOC）浓度，以及根区的pH。这两个作物种植单元施以同一种化肥，施肥率相同，灌溉方法相同，只是初始土壤水量含量不同。与地球土壤种植单元相比，火星土壤种植单元的水、溶质渗漏率减少了90％，火星重力下较高的土壤持水能力导致了水分含量和营养素含量有利于各种微生物功能菌群的代谢活动，使菌群密度比地球土壤种植单元增加了5～10‰反硝化率变得比在地球土壤单元更重要，最终导致NO、N2O以及N2等气体的散发率分别高出地球土壤种植单元60％、200％和1200％。类似地，火星土壤种植单元中O2和DOC消耗的更快，并导致CO2散发率增加了约10％。更普遍而言，在火星土壤单元内种植作物所需要的灌溉水大约比地球少90％，更有利于水的循环处理。本研究还观察到，更低的外源性养分如化肥的供给不会累及养分向土壤微生物的输送，但会减少大量含氮气体的散发。