万物有科学

    今年的12月5日是第七个世界土壤日，主题为“保持土壤生命力，保护土壤微生物多样性”。

    众所周知，土壤犹如地球的皮肤，这里可谓微生物的“大本营”，每克土壤中的微生物数以亿计、种类数以万计，细菌、古菌、真菌、病毒以千姿百态的生存方式与人类共生。

    然而，由于全球气候变化加剧和人类活动的频繁干扰，土壤面临多重压力，导致其生物多样性日益受到威胁。

    未来该如何保护和利用土壤微生物多样性？中国科学院南京土壤研究所的学者为我们做出了解答。

    不当施肥令土壤越来越“瘦”

    土壤养分是否丰富、作物产量高不高，是土壤健康的重要指标。而土壤中的众多有益微生物，是土壤健康的“隐形卫士”，它们的存在很大程度上助益了作物产量提升。

    中国科学院南京土壤研究所褚海燕研究团队从2015年起在安徽蒙城的小麦试验田进行土壤试验，近日他们刊发研究指出，在对土壤样品中的细菌、真菌、线虫等各类土壤微生物的统计中发现，“土壤中的关键微生物菌群，如固氮菌、解磷菌、光合菌等，能够增强土壤中碳、氮、磷、硫等养分元素的循环，促进小麦对养分的吸收，抑制潜在植物病原菌，从而提高小麦产量”。

    褚海燕研究团队发现，这些土壤“卫兵”有时也会受到敌人的干扰，土壤酸化就是其头号天敌。

    “土壤微生物多样性与土壤酸碱度显著相关，这种现象在北极、长白山、华北麦田土壤都得到过验证。化肥的过量施用会造成土壤酸化，进而导致土壤微生物多样性降低。”褚海燕在研究中发现，在砂姜黑土上长期单独施用化肥导致土壤pH值下降1.5个单位，显著降低了微生物群落的稳定性，同时也增加了植物潜在致病菌的丰度。而在施用化肥的基础上添加牛粪后，pH值恢复到7左右的正常水平。

    “牛粪有一定的碱性，与化肥一起施用，可以中和土壤酸度。同时，牛粪具有很高的养分含量，在土壤酸碱度平衡时，能让土壤微生物群落更稳定，作物产量也更高。”褚海燕说，保护土壤中关键菌群的多样性，有望达到减肥增产的效果。

    土壤提供了微生物生长所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以成了微生物生活的家园。由于土壤类型、肥力水平、环境条件和季节变化等各种因素的不同，土壤微生物在种类、数量和分布上也会受到影响。

    如水田和旱田中的土壤微生物组成存在明显差异。中国科学院南京土壤研究所研究员冯有智介绍，水田中的微生物以厌氧微生物为主，例如产甲烷古菌；旱田则以好氧微生物为主，例如芽孢杆菌和真菌。

    中国科学院南京土壤研究所研究员陈瑞蕊曾经在江苏常熟的水田进行试验，她发现：“如果旱地和水田都长时间不施化肥，旱地的歉收程度会比水田更严重，这主要因为水田和旱地微生物多样性和功能存在差异，水田中的微生物有助于累积有机质，保持土壤肥力，所以旱地比水田更依赖于化肥。”

    “一窝蜂”式保护不可取

    一直以来，土壤微生物被认为是土壤养分的转化器、污染物的净化器和生态系统的稳定器，而人类活动的加剧，如土地利用方式的改变、资源过度开发、环境污染等，使土壤微生物多样性出现了明显下降。

    如何为土壤微生物营造一个美好的家？褚海燕认为，首先要针对现实状况，因地制宜改善土壤生态环境。如在农田生态系统中施用绿肥，或以有机肥、微生物肥料替代化肥等；在自然生态系统中，则可通过维持地上植物多样性，提高输入到土壤中的有机物数量与多样性，为土壤微生物的生存提供良好的微环境。

    “土壤微生物群落不仅包括有益微生物，还包括许多有害微生物。土壤微生物多样性的保护是既要考虑覆盖所有有益微生物，也不能盲目放任有害微生物。”褚海燕说，应加强土壤微生物的有益性甄别，防止“一窝蜂”式保护给有害微生物带来可乘之机。

    尽管土壤微生物多样性的研究已经取得了诸多进展，但土壤中到底存在多少种生物、多样的生物群落彼此有何关联等基本问题，尚未得出明确结论。

    褚海燕等学者认为，保护和利用土壤微生物多样性，可尝试建设原位土壤微生物多样性监测平台。褚海燕告诉记者：“我国不同地区气候差异显著，生态系统丰富，相关部门已在南北热量梯度样带、东西降水梯度样带上，布设长期生态定位监测站和采样点，为未来开展土壤微生物多样性监测提供了很好的基础。”

    “将有用的微生物资源从土壤中分离、纯化出来加以利用，仍然是当前土壤微生物多样性研究中亟待解决的大问题。因此，搭建微生物资源大数据共享平台，推进微生物分离培养新技术，可以为充分开发、利用已知土壤微生物资源，提供翔实的科学依据，将土壤微生物的功能发挥到实处。”褚海燕说。