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中科院物理所
中科院物理所官方账号。爱上物理，改变世界。7小时前
5月15日，我国自主研发的天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原，火星首次迎来了中国的拜访。
人类为什么要探索火星？
每个人对这个问题可能都有不同的答案，民以食为天，对于某些吃货来说，答案也许是——
还记得当时新闻说月壤不能种菜，急坏了多少朋友。
别说吃货只知道吃，实现在火星或者地球外其他地方种菜是有重要意义的。
宇航员在空间站工作和其他长期的太空任务中，食物的供应是必要但又极其昂贵的。美国国家航空航天局（NASA）的研究表明，一位在国际空间站的宇航员平均每天就需要消耗1.8kg的食物。
要知道，由长征五号遥四运载火箭搭载的火星车 “祝融号” 就历经了近6个月的时间才到达火星，若是要把人类送到火星上，每个人在路上就得消耗300多公斤的食物。如果是一支四个人的队伍要执行为期三年的火星探索任务，总共的食物消耗量将高达8吨。
想要在出发时就带齐所需的食物显然不切实际，而食物的再补给更是极其昂贵且风险很高。因此最值得考虑的选项当然是：
在火星上种菜！
当然，在火星种菜的好处不只是为了给我们提供新鲜食物。要想有朝一日能将人类送上火星，甚至在火星上创造出文明，就必须在火星上创造出可资源循环的生态系统。而植物作为生态系统中的生产者，自然是必不可少的一环。
不过在火星上种菜到底有多困难呢？
太阳系八大行星位置 来源：wiki
火星（Mars）作为离太阳第四近的行星，很早以前就被中西方的天文学家观测到了。因为火星地表处广泛分布着氧化铁，在视觉上呈现为橘红色，在肉眼可见的天体中独具一格。我们古人观察它时就发现其荧荧如火，位置、亮度也飘忽不定，故命名为荧惑。在欧洲，火星被命名为玛尔斯，在罗马神话中是战神的意思。
火星的真实色彩影像，2007年2月罗塞塔号拍摄
火星与太阳的距离略大于地球，因此它的日射量相对较少，地表平均温度实际观测值约为零下33℃。但相对于距太阳更近的金星（Venus），其表面的平均温度高达462℃，火星上的温度已经算相当温和了。
八大行星地表温度 来源：wiki
火星基本上是个沙漠行星，地表上遍布沙丘、砾石，没有稳定的液态水体。但是相对于主要由氢、氦组成的没有明确界定的固体表面木星（Jupiter）来说，火星算比较理想的适合着陆的行星了。
古瑟夫撞击坑充满沙石的地表 来源：wiki
火星大气层相对于地球稀薄很多，平均地表气压只有约600Pa，大概是地球表面气压的0.6%。大气成分主要为二氧化碳，占了95%，其余有3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水汽等。但是相对于有着较浓厚大气层（大气压力约地球的92倍）的金星来说，火星更适合制造人工基地。
除了这些基本条件，影响农业最重要的因素便是
水
好消息是火星上有足够的水供我们种菜。
2013年，NASA报导好奇号火星探测器发现火星土壤含有丰富水分，大约占其重量的1.5~3%，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。2018年，意大利科学家在火星上首度发现一个地下液态水湖。该研究称，“火星地下及电离层高级探测雷达”在火星南极冰层下1.5千米处发现一个大型液态水湖，里面含有盐。湖的直径约为20千米，温度至少为零下10度。
北极初夏的冰盖（1999年）
地球植物还需要吸收光照来获得能量。由于火星日照强度小，且沙尘暴活动频繁，稳定的太阳光很难得到，只能通过太阳能、核能、化学燃料等方式生产人造光源。
火星土壤是由岩石受风化后产生的碎屑物质，含有植物生长所需的大量和微量元素，也有一些高氯酸盐、过氧化物，而且目前并没有证据表明含有机物质混在其中。
来源：youtube
因此火星土壤并不适合直接种菜，但是可以对其改良，处理有毒的高氯酸盐等物质，再添加一些有机物质使土壤肥沃，从而满足种菜的需求。火星大气层中含量丰富的二氧化碳，这也是植物的天然肥料。
光说不练假把式，科学家们也模拟了火星土壤的成分，对植物进行了种植。
火星模拟土壤 来源：youtube
为了使火星土壤适合植物生长，研究人员会在其中添加有机物质，并且使其蓬松，让水能通过土壤被植物的根系所吸收。有机物质的一个来源可以是被杀灭了病原体之后的人类粪便，一旦开始种植，我们便可以继续用剩下的植物和食物进行堆肥。
来源：电影《火星救援》
有毒的高氯酸盐可以通过流动的水将其冲走，或者还可以在土中引入以高氯酸盐为食的细菌，作为副产品，高氯酸盐降解菌还会释放出氧气。
高氯酸盐降解途径 来源：baidu
高氯酸盐降解菌JD15和JD22的SEM图
来源：baidu
科学家们使用火星模拟土壤、月球模拟土壤和地球土壤种植豌豆，发现火星土壤的产量仅次于地球土壤，而月球土壤的产量却是地球土壤的一半。
来源：youtube
除了土培方法，科学家们还发展出了许多无土栽培的方法，比如说水培。通过将植物的根系直接浸润于营养液中，给植物提供充足的水分和养分。水培相比土培，培育过程可调节性更强，品质也更好。
水培蔬菜 来源：baidu
为了实现在火星种菜的目标，人类其实已经做了很多的尝试。
由火星协会 (Mars Society) 开展并实施的火星模拟研究站计划(MARS)模拟了未来可能的火星居住环境。已建立的站点包括位于加拿大北部德文岛(Devon Island)上的Flashline火星北极研究站(FMARS)和位于美国犹他州南部San Rafael高地的火星沙漠研究站(MDRS)。
Flashline火星北极研究站 来源：Wiki
以火星沙漠研究站(MDRS)为例，它由三部分组成：人类栖息地单元(The HAB)、温室种植单元(GreenHab)和一个火星观测站(the Musk Mars Desert Observatory)。其中，GreenHab是一个用于种植作物和植物研究的温室，旨在模拟在火星上的温室种植可能会面临的挑战。在GreenHab内种植的植物主要是香草、绿色蔬菜、萝卜、西红柿等其他蔬菜。
火星沙漠研究站(MDRS) 来源：Wiki
The GreenHab 来源：Wiki
笔者节选了一些GreenHab实验人员的每日报告来让大家感受一下种菜的乐趣：
来源：GreenHab
来源：GreenHab
除美国之外，还有其他国家也开展了相关实验。比如在国际空间站上进行的拉达实验和欧洲模块化栽培系统测试。它们都是用于在太空中种植少量的新鲜食物的一些尝试。
2019年我国发射的嫦娥四号的月球着陆器携带了月球微型生态圈——它尝试构建可自我维持的人造环境，由一个小型的密封容器构成，里面装有植物种子，此外还有养料、空气、水、酵母和果蝇卵。这也是人类历史上第一次尝试在月球 “种菜” 。它为科学家研究在月球上低重力、温差大和长光照条件下的生物生长和光合作用提供了条件。
微型生物圈实验中棉花种子发芽
通过上述科学研究，目前看来去火星种菜成功的可能性还是不低的。想象一下在火星种菜这种“田园牧歌”般的生活，大家是不是对去火星生活产生了一些期待呢？
参考资料：
[1] Space Farming Wikipedia
[2] Flashline Mars Arctic Research Station Wikipedia
[3] Mars Desert Research Station Wikipedia
[4] 郭静 高氯酸盐降解菌的鉴定和特性研究
[5] GreenHab Webpage
[6] Did NASA Just Solve The Perchlorate Problem On Mars? YouTube