◎ 科技日报采访人员 金凤
土壤犹如地球的皮肤 ， 地球上至少有1/4 的生物蕴藏于土壤中 ， 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 。
【攻防战|呵护地球皮肤，“地下王国”正上演一场攻防战】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 。 12月5日 ， 世界土壤日来临 ， 今年的主题为“保持土壤生命力 ， 保护土壤生物多样性” 。
未来如何保护和利用土壤生物多样性 ， 中国科学院南京土壤研究所的学者指出 ， 不妨改善土壤生态环境 ， 减少农药化肥用量、保护林地以及减少草地的过度放牧 ， 建设原位土壤生物多样性监测平台 ， 开发利用土壤生物资源……
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中国科学院南京土壤研究所供图
部分土壤菌群堪称土壤健康隐形卫士
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落红不是无情物 ， 化作春泥更护花 。 土壤养分、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 ， 是保卫土壤健康的隐形卫士 ， 他们的存在有利于作物产量的提高 。
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 。 ”
不过 ，这些土壤“卫兵”有时也会受到敌人的干扰 ， 这便是土壤酸化 。 褚海燕研究团队发现 ， 长期施用化肥 ， 会造成土壤生物多样性的显著降低 。
“土壤微生物多样性与土壤酸碱度显著相关 ， 这在北极、长白山、华北麦田土壤都发现这种现象 。 过量化肥的施用会造成土壤酸化 ， 从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 ， 显著降低了微生物多样性及群落的稳定性 ， 同时也增加了植物潜在致病菌的丰度 。 而在化肥的基础上添加牛粪后 ， pH值恢复到7左右 。
“牛粪养分含量高 ， 同时有碱性 ， 与化肥一起施用 ， 可以中和土壤酸度 。 土壤酸碱度平衡时 ， 土壤微生物群落更稳定 ， 作物产量也越高 。 ”褚海燕说 ， 这为今后的农业生产提供了指导 ， 保护土壤中关键菌群的多样性 ， 或能达到减肥增产的效果 。
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土壤提供了微生物生长发育所需要的营养、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 。 各类微生物可以在土壤中生存发展 ， 但由于土壤类型、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 ， 存在差异 。
因此 ， 不同的地方土壤微生物也不一样 。 例如 ， 珠穆朗玛峰的土壤中就存在耐高寒等各种极端环境的微生物“特种兵” 。
此外 ， 水田和旱田中的土壤微生物组成也存在差异 。 中科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 。 “我们用高通量测序技术分析过广西龙脊古梯田自元末明初以来630年间产甲烷古菌群落的演替规律 ， 发现在中世纪小冰川期、太平天国起义和自然灾害等事件的影响下 ， 导致气温骤降 ， 水田变旱田 ， 撂荒等 。 而产甲烷古菌是厌氧微生物 ， 水田变旱田后 ， 它的群落结构变化 ， 多样性减少 。 ”
中科院南京土壤研究所研究员陈瑞蕊也曾经在江苏常熟的水田进行试验 ， 研究发现 ， “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 ， 导致旱地比水田更依赖于化肥 ， 同时水田中的微生物有助于累积有机质 ， 保持土壤肥力 。 ”
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搭建微生物资源大数据共享平台前景可期
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土壤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 ， 加剧土壤生物多样性的下降 。
如何为土壤生物营造一个美好的家？褚海燕认为 ， 首先要改善土壤生态环境 。 如在农田生态系统中 ， 施用绿肥或覆盖作物种植、以有机肥和微生物肥料替代化肥等 。 同时可以控制病虫害 ， 缓解因农药大量使用对土壤生物产生的伤害 。 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 ， 为土壤生物的生存提供良好的微环境 。
其次 ， 他认为 ， 要减少农药化肥用量的使用 ， 保护林地及减少草地的过度放牧等 。
“土壤生物群落不仅包括有益生物 ，还包括许多有害生物 。 土壤生物多样性的保护是既要考虑不漏掉一种有益生物 ， 也要考虑不能盲目放任有害生物 。 在保护或促进某种生物时 ， 要考虑该生物的长期变化会受到其他生物的影响 。 ”褚海燕说 。
尽管土壤生物多样性的研究已经取得了诸多进展 ，但人类对土壤生物多样性的了解还很有限 ， 土壤中到底存在多少种生物、多样的生物群落发挥怎样的生态功能等基本问题 ， 尚无法明确回答 。
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褚海燕等学者认为 ， 未来土壤生物多样性的保护和利用可尝试建设原位土壤生物多样性监测平台 。 “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 ， 为未来开展土壤生物多样性监测提供了很好的基础 。 ”
其次 ， 要开发利用土壤生物资源 。 土壤生物作为农业生产、医药卫生和环境保护等领域的核心生物资源之一 ， 以其丰富的物种和功能多样性 ， 在应对粮食、能源、生态与环境等方面都具有巨大潜力 ， 并成为新一轮科技革命的战略高地 。
“目前 ， 将有用的微生物资源从土壤中分离、纯化出来 ， 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 ， 未来搭建微生物资源大数据共享平台 ，以及推进微生物分离培养新技术 ， 可以为充分开发、利用已知土壤生物资源 ， 提供翔实的科学依据 ， 将土壤生物的功能发挥到实处 。 ”褚海燕说 。
来源：科技日报 文中图片除注明外由作者提供
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