萬物有科學

今年的12月5日是第七個世界土壤日，主題為“保持土壤生命力，保護土壤微生物多樣性”。

眾所周知，土壤猶如地球的皮膚，這里可謂微生物的“大本營”，每克土壤中的微生物數以億計、種類數以萬計，細菌、古菌、真菌、病毒以千姿百態的生存方式與人類共生。

然而，由于全球氣候變化加劇和人類活動的頻繁干擾，土壤面臨多重壓力，導致其生物多樣性日益受到威脅。

未來該如何保護和利用土壤微生物多樣性?中國科學院南京土壤研究所的學者為我們做出了解答。

不當施肥令土壤越來越“瘦”

土壤養分是否豐富、作物產量高不高，是土壤健康的重要指標。而土壤中的眾多有益微生物，是土壤健康的“隱形衛士”，它們的存在很大程度上助益了作物產量提升。

中國科學院南京土壤研究所褚海燕研究團隊從2015年起在安徽蒙城的小麥試驗田進行土壤試驗，近日他們刊發研究指出，在對土壤樣品中的細菌、真菌、線蟲等各類土壤微生物的統計中發現，“土壤中的關鍵微生物菌群，如固氮菌、解磷菌、光合菌等，能夠增強土壤中碳、氮、磷、硫等養分元素的循環，促進小麥對養分的吸收，抑制潛在植物病原菌，從而提高小麥產量”。

褚海燕研究團隊發現，這些土壤“衛兵”有時也會受到敵人的干擾，土壤酸化就是其頭號天敵。

“土壤微生物多樣性與土壤酸堿度顯著相關，這種現象在北極、長白山、華北麥田土壤都得到過驗證。化肥的過量施用會造成土壤酸化，進而導致土壤微生物多樣性降低。”褚海燕在研究中發現，在砂姜黑土上長期單獨施用化肥導致土壤pH值下降1.5個單位，顯著降低了微生物群落的穩定性，同時也增加了植物潛在致病菌的豐度。而在施用化肥的基礎上添加牛糞后，pH值恢復到7左右的正常水平。

“牛糞有一定的堿性，與化肥一起施用，可以中和土壤酸度。同時，牛糞具有很高的養分含量，在土壤酸堿度平衡時，能讓土壤微生物群落更穩定，作物產量也更高。”褚海燕說，保護土壤中關鍵菌群的多樣性，有望達到減肥增產的效果。

土壤提供了微生物生長所需要的營養、水分、空氣、酸堿度、滲透壓和溫度等條件，所以成了微生物生活的家園。由于土壤類型、肥力水平、環境條件和季節變化等各種因素的不同，土壤微生物在種類、數量和分布上也會受到影響。

如水田和旱田中的土壤微生物組成存在明顯差異。中國科學院南京土壤研究所研究員馮有智介紹，水田中的微生物以厭氧微生物為主，例如產甲烷古菌;旱田則以好氧微生物為主，例如芽孢桿菌和真菌。

中國科學院南京土壤研究所研究員陳瑞蕊曾經在江蘇常熟的水田進行試驗，她發現：“如果旱地和水田都長時間不施化肥，旱地的歉收程度會比水田更嚴重，這主要因為水田和旱地微生物多樣性和功能存在差異，水田中的微生物有助于累積有機質，保持土壤肥力，所以旱地比水田更依賴于化肥。”

“一窩蜂”式保護不可取

一直以來，土壤微生物被認為是土壤養分的轉化器、污染物的凈化器和生態系統的穩定器，而人類活動的加劇，如土地利用方式的改變、資源過度開發、環境污染等，使土壤微生物多樣性出現了明顯下降。

如何為土壤微生物營造一個美好的家?褚海燕認為，首先要針對現實狀況，因地制宜改善土壤生態環境。如在農田生態系統中施用綠肥，或以有機肥、微生物肥料替代化肥等;在自然生態系統中，則可通過維持地上植物多樣性，提高輸入到土壤中的有機物數量與多樣性，為土壤微生物的生存提供良好的微環境。

“土壤微生物群落不僅包括有益微生物，還包括許多有害微生物。土壤微生物多樣性的保護是既要考慮覆蓋所有有益微生物，也不能盲目放任有害微生物。”褚海燕說，應加強土壤微生物的有益性甄別，防止“一窩蜂”式保護給有害微生物帶來可乘之機。

盡管土壤微生物多樣性的研究已經取得了諸多進展，但土壤中到底存在多少種生物、多樣的生物群落彼此有何關聯等基本問題，尚未得出明確結論。

褚海燕等學者認為，保護和利用土壤微生物多樣性，可嘗試建設原位土壤微生物多樣性監測平臺。褚海燕告訴記者：“我國不同地區氣候差異顯著，生態系統豐富，相關部門已在南北熱量梯度樣帶、東西降水梯度樣帶上，布設長期生態定位監測站和采樣點，為未來開展土壤微生物多樣性監測提供了很好的基礎。”

“將有用的微生物資源從土壤中分離、純化出來加以利用，仍然是當前土壤微生物多樣性研究中亟待解決的大問題。因此，搭建微生物資源大數據共享平臺，推進微生物分離培養新技術，可以為充分開發、利用已知土壤微生物資源，提供翔實的科學依據，將土壤微生物的功能發揮到實處。”褚海燕說。