2023-04-07 10:58:39
春天，萬物初萌、生機(jī)勃勃，那一抹綠象征著希望和未來。你知道嗎？“種菜”不僅僅是在田間巷陌，也曾出現(xiàn)在“天宮二號”，到了神舟十四號任務(wù)期間，航天員在“太空之家”種植的生菜還豐富了航天員的在軌食譜。太空種植植物有何難點？航天員又是如何澆水施肥的呢？今天我們一同了解。
△航天員蔡旭哲同地面人員分享生菜生長情況
太空種植植物的目的
太空種植植物，主要有以下三個目的：
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一是利用空間實驗室平臺，研究太空微重力等特殊環(huán)境對植物生長發(fā)育、生理生化等方面的影響。
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二是為航天員提供食物、氧氣和水。植物可通過光合作用吸收航天員產(chǎn)生的二氧化碳，生產(chǎn)氧氣，可一定程度上凈化密閉艙室環(huán)境，獲得清新的空氣；生產(chǎn)食物，為航天員提供新鮮蔬菜水果，補(bǔ)充維生素和膳食纖維，豐富航天員食譜；此外，通過植物的蒸騰作用，還可實現(xiàn)密閉系統(tǒng)內(nèi)水的凈化，為航天員補(bǔ)充純凈的水。植物的這種生產(chǎn)功能對建立自給自足、高物質(zhì)閉合度的地外生命保障系統(tǒng)具有非常重要的作用，可大大降低長期載人飛行任務(wù)的后勤物資供應(yīng)成本，科研人員已開展以植物為核心部件的地外生命保障系統(tǒng)研究工作。
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三是植物可為航天員提供綠色鮮活的環(huán)境，通過照料植物可以緩解航天員壓力，正向調(diào)節(jié)航天員心理情緒。
△航天員蔡旭哲給植物澆水
太空“種菜”有何難點？
太空微重力環(huán)境下種植植物有何難點？在神舟十四號航天員乘組返回75天后首次公開亮相的記者見面會上，航天員蔡旭哲就曾和大家分享在太空培育蔬菜與地面培育的不同：“我覺得最大的不一樣就是澆水比較困難，在失重環(huán)境下，水停留在根系表面，不容易深入植物根層?！?/p>
我們知道，植物正常生長必須具備適宜的光照、水分、養(yǎng)分（土壤）、溫度和空氣（氣體）等環(huán)境條件。太空微重力環(huán)境下，水分養(yǎng)分傳導(dǎo)和氣體交換等特性與地面1G重力環(huán)境不一樣。太空微重力環(huán)境會造成在植物根系周圍形成一個邊界層，水、氣無法自動分離，植物必須依賴外力才能與周圍環(huán)境進(jìn)行正常物質(zhì)交換。如果植物根部水分運(yùn)動控制不好，極易造成根部水分過多而根系缺氧，或者水分過少而根系缺水。太空微重力條件下的水分供應(yīng)是否合理將直接影響植物生長介質(zhì)中的水分、氧氣分布情況，進(jìn)而影響到植物根系水分吸收和根系呼吸，也會影響礦質(zhì)養(yǎng)分的流動與供給，最終影響到植物的正常生長。因此，微重力條件下的水分養(yǎng)分供給技術(shù)是空間植物栽培的關(guān)鍵。
△“神十四”任務(wù)期間生菜在軌生長情況
如何實現(xiàn)太空“種菜”？
為解決微重力條件下的水分養(yǎng)分供給問題，科技工作者們開展了大量的研究工作。從研究的結(jié)果來看，利用人工基質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)是太空植物培養(yǎng)的主要方式，水分的運(yùn)動主要依靠基質(zhì)顆粒的毛細(xì)作用力來進(jìn)行。栽培基質(zhì)的選擇從早期的離子交換樹脂、固態(tài)化瓊脂，到后來的巖棉、蛭石、蒙脫石、P土、人工燒結(jié)的陶粒等，并圍繞這些基質(zhì)材料，研發(fā)了多種太空植物培養(yǎng)水分養(yǎng)分供應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)用到不同類型的太空植物栽培裝置中，進(jìn)行太空植物培養(yǎng)。
我國科研人員針對太空植物培養(yǎng)，也開展了大量研究工作。
△在“天宮二號”種菜時使用的基質(zhì)材料
天宮二號空間實驗室階段
中國航天員科研訓(xùn)練中心研發(fā)了空間植物培養(yǎng)裝置，并于2016年在“天宮二號”成功進(jìn)行了生菜的在軌培養(yǎng)試驗。這次是我國首次在太空人工栽培蔬菜，當(dāng)時并沒有讓航天員在軌食用，而是將植物采樣帶回進(jìn)行生物安全性檢測。
△航天員景海鵬在“天宮二號”進(jìn)行生菜培養(yǎng)試驗
△航天員陳冬在“天宮二號”介紹太空中的植物栽培情況
空間站階段
隨著中國空間站進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營，航天員在軌工作生活長達(dá)半年之久，對新鮮蔬菜，以及太空綠色鮮活環(huán)境的需求增加，植物種植的面積和數(shù)量將會越來越大。
植物栽培基質(zhì)“新升級”
在新的情況下，對植物培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的各種廢物（如根系、枯枝殘葉、廢棄基質(zhì)等）的處理，成了科研人員需要解決的問題。
目前太空植物栽培采用的栽培基質(zhì)大多為細(xì)小顆粒狀，盡管采用了特殊的防護(hù)措施，但還是避免不了植物栽培過程中有顆粒狀基質(zhì)脫落并飄浮在艙內(nèi)，給航天員制造了不少麻煩。為此，科研人員在開展廢棄物處理與植物培養(yǎng)再利用的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種可生物降解、能重復(fù)利用的植物栽培基質(zhì)，這種基質(zhì)以塊狀結(jié)構(gòu)形式存在，不會脫落碎屑，而且具備良好的通氣、保肥和導(dǎo)水性能。
此外，科研人員還根據(jù)植物生長對礦質(zhì)養(yǎng)分的需求特性規(guī)律預(yù)先在材料中添加了一定量的緩釋肥料，這樣就不需要在植物生長過程中再進(jìn)行添加肥料等操作，可大大降低太空植物栽培管理的復(fù)雜性，也較好地解決了太空環(huán)境下植物栽培過程中根系的水分供給、養(yǎng)分供給和通氣等技術(shù)難題。
△“天宮課堂”中展示的“太空菜園”
植物栽培裝置“新設(shè)計”
中國航天員科研訓(xùn)練中心科研人員基于“新升級”的栽培基質(zhì)，設(shè)計了一種模塊化的簡易太空植物栽培裝置，采用開放式結(jié)構(gòu)，擺脫了此前使用的“大裝置”形式，航天員可以與植物隨時親密接觸。植物生長所需要的二氧化碳、溫濕度和氧氣等氣體環(huán)境，和艙內(nèi)航天員基本一致，植物種植操作簡單，便于照料。航天員還可按個人喜好將該裝置任意擺放在艙內(nèi)有光照的地方，為自己的工作生活環(huán)境增添一抹綠意，還能呼吸植物釋放的新鮮氧氣，起到心理調(diào)劑作用。
△問天艙里生長的小麥
神舟十四號航天員乘組在軌期間，利用該裝置成功栽培了生菜、小麥和矮稈番茄等植物，驗證了利用這種“新”栽培基質(zhì)的空間植物培養(yǎng)技術(shù)。盡管該裝置沒有專門配備植物光照系統(tǒng)，僅僅利用艙內(nèi)照明光源，但種植的三種植物都完成了發(fā)芽、生長發(fā)育等過程。神舟十四號航天員乘組還收獲了新鮮生菜，首次實現(xiàn)了在軌食用。
△矮稈番茄在軌生長情況
△2022年中秋節(jié)“神十四”乘組食用在軌種植的生菜
“天宮種菜夢”已經(jīng)實現(xiàn)，目前，科研人員正基于“神十四”任務(wù)試驗結(jié)果，抓緊研制功能更加強(qiáng)大的太空植物栽培裝備，以便為航天員提供更多的鮮食蔬菜水果。期待在不久的將來，航天員能在空間站上種植收獲更加多樣化的蔬菜水果，豐富在軌食譜。
未來，期待更多的“綠色”豐富“太空菜園”！
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