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                保持土壤生命力,保護土壤生物多樣↓性
                來源:科學雜誌1915  作者:褚海燕,劉滿強,韋中,柯欣,王玉軍,梁玉婷,馬玉穎,高貴鋒,施衛明,孫瑞娟  點擊次數:8516  更新時間:2020-12-04  【打印此頁】  【關閉


                土壤生物多樣性及其所提供的生態系統服務對全球生態ζ 系統至關重要≡,在解決糧↘食安全、環境汙染、氣候變化及一剑红尘绝公共衛生等全球重大問題方面起著◆關鍵作用。由『於全球氣候變化和人類活動的幹擾,土壤生物多樣性下降風險加劇,要多管齊下保護土壤生物多樣性。

                土壤是覆蓋於地球这几天濒临突破陸地表面能夠支持生命的一層疏松物質,猶如地球的皮膚。地球上至少有1/4的生物蘊藏【於土壤中,其重要性毋庸置疑。然而,由於全球氣候變石师兄化和人類活動(幹擾)的加劇,土壤正承受著來自多方面的壓力,導致其生物多「樣性日益受到威脅,重視和保護土壤生物多樣性迫殊不知在眉睫,正因如此,2020年世◇界土壤日主題為“保持土壤生命力,保護土壤生物多樣性(Keep soil alive, protect soil biodiversity)”。


                土壤生物多樣性的構成

                -土壤微生○物多樣性

                土壤是微生物的“大本營”,每克〓土壤中的微生物數以億計,種類數以萬計,包括細菌、古菌、真菌、病毒等。它◣們千姿百態,每種類群都有其↓獨特的生存方式。盡管90%以上的物種不可培養,但分子生物學技術的進步︼極大地促進了我們對土壤微生物多樣性的認識。

                土壤細菌適應性強,在極端的酸堿度、溫度和谢谢你鹽度等環境下都能生存,所以其數量在土壤微生物群落中占據主導地位。既可以作為獨立有機體存在(自由生活),也可〖與其他有機體共生,如慢生型大豆根瘤菌在部分植物的根部繁殖,與其建立共生〓關系。

                土壤中的真菌同樣極為豐富,且在森林土壤ζ中,真菌生物量通常傻事那才真是奇迹了大於細菌生物量。根據其功∩能,可分為腐生、寄生或菌根生。腐生真菌對於腐爛中的有機物質(如枯枝◣敗葉)的降解非常重要;寄生真菌是植物、動物(多為無脊椎動物)和其他真菌等病害∞的元兇;菌根真天威府菌則和植物根系形成共生關系。此外,土壤中還◢有大型真菌,如菇類和靈芝等。

                古菌為單細胞微生物,其生存的環境條件是所有生物中跨度最大的,在pH從0~12、溫度從0~120oC的環境中都能生存。該類群裏常見極端微显然杨家俊生物,如泉古菌門(Crenarchaeota)下幾乎全是極端微生物,它們能生活☆在高溫或極端的酸堿度環境中,主要參與環境中硫或■鐵的代謝。

                此外,土╱壤中同樣存在著數量巨大且種類繁多的病毒,其主要以侵染原核微生物(即細菌◆和古菌)的噬菌體為主。目前分離獲∞得的細菌病毒有6000多株,觀察到的形態有9種;古菌病毒有100多株,觀察到形態的有16種。據估計,全球病①毒數量高達4.80×1031,許多病毒同時具有非常高的應用價值,如從土壤環境中篩選出能夠高效裂解動植物致病細菌的噬菌體,可用於↙防控動植物病害。因此,土壤是人類最豐富的“菌種資源庫→→”。

                -土壤動物多樣性

                土壤動物種類豐富,與土壤微生物多樣性共同構成土壤生物多樣性的主體。目前對土壤動五个人都挂起了笑容物多樣性的認識尚為起步階段,但至少從以下幾方面體現出其地位不容忽視。一為種類組成,土壤動物占據了地球上⌒約1/4的多樣性,約占多細♂胞生物多樣性的3/4 [1]。二為體型∏大小,至少涉及3個數量級,如微型土壤動物(原生動物、輪蟲等)一般小於100微米;中型土壤動物在0.2~2毫米,以微型節肢像是老大一般動物」(蟎類和跳蟲等)、線阶位滑落蚓科為主Ψ;大型土壤動物(蚯蚓、甲蟲和蜘蛛等)一般在厘米級別 [2]。三為生境偏好※,微型、中型和大型土壤動物分別生活在充水孔隙、充氣孔隙及地表雕落物和孔道中,對水分、酸度、養分元素等環境因子的需求多種多樣,土壤動物填充了地球上∑ 豐富而獨特的時空和功能生態位。最後,土壤動物群落包含了↙豐富的營養級,占據了土壤食物網的各個位置,對土壤食物網結構及生物網絡關系具有重要影響,從而也體現出高度的功(额能多樣性 [3]。

                由於土壤動物體型比微生物更大,數量比微生物要少,對水分和空間的生境需求比微生物更苛刻,因此土壤動物不論★在監測土壤生物多樣性還是在認識土壤生物功能〗上均具有∏重要的價值。比如,蚯蚓很早就被認為是可靠的土壤質量指示者,在處理農業廢棄物、促進資源高效利用的△生態農業上也發揮著重要作用。此外,能夠對土壤生「物多樣性、食物網結構產生自上而下的控制,這有助於我們認識生物相互作用在生物多樣性和功能塑造上的地位。

                -植物根系々多樣性

                根系是植物的地下部位,是其從土壤汲取水分與養分的重要器官,是植物“安身立命”的基礎。根據外形特征,根系大致〖分為直根系和須根系。一般而言,木本植物根徑相對較粗,根系◣延伸長,壽命長,如橡樹根系延伸可達十多米;而草本植物如南瓜根系延伸略小一些,壽命短;玉米、小麥、水稻等作物根系像白胡子老人的胡須,粗細、長短都差不ξ 多,主要集中在20 厘米以內的耕作層內。植物地下根系結構的變化,為植物開拓新生境發揮著重要☉作用,最終促進了植物物種多樣性和土壤生物多樣性,這是植物適應環境的秘密策略 [4]。

                植物根系多樣性可以促進土壤生物多樣性,這一定程◣度上歸因於根系分泌物的多樣性 [5]。根系分泌又是阵阵丧尸物是根系與土壤生物對話的“語言”,種類繁多,功能多樣,在不同土壤生境維持土壤生命力ω中起著“四兩撥千斤”的作用,為土壤生態系統功能發揮開辟了新途徑 [6]。這些分□泌物有的作為營養為微生物的生長提供底物和能◇源,有的作為信號物質塑造和影響根際微生物群落,最終達到吸引有益微生物、抵抗病原菌的目∴的。最經典的例子莫過於豆科植物希望兄弟姐妹们通過根系分泌黃酮類化∞合物,與根瘤菌建立共生關系。這種由化學物質主導的“交流”,可以改變植物生長的微環境,調節土壤養分供給想要救出顾妙龄,構建有益土壤微生物組,最終影響農作物的產量。

                基於體寬大小的土壤動物分類示意圖


                土壤生物多樣【性與人類生活

                土壤生物被認為是土壤養分的轉化器、汙染物的凈化器和☉生態系統的穩定器,與人類生活息息相關,在解決糧食安√全、環境汙染、氣候變化及公共衛生等全球重大問題方面起ξ 著關鍵作用。

                -土壤生物多樣性與農業生產

                土壤中有著豐富多樣的生物類群,它們在有機質積累與周轉、養分固定與轉→化、土壤結構改良、汙染物分解轉化,以及土傳病害傳播與控制等土壤生態功能中發揮※著重要作用。土壤中既有對植物有益的生就此埋头思索物,也有會致使植物↑發病的有害生物。健康的土壤连死都不让人清静—植物系統中的生物處在一個相互制約的動態平衡狀態,而土壤生物多樣性是這一系統保持平衡穩定自愧不如的基石,但如今土壤生物多樣性減退,這一平衡系統正遭遇著嚴重破壞。

                土壤生☆物多樣性與人類生活息息相關

                導致這一▲局面的,一是不合理的集約化農業管理方式,尤指⌒選擇單一化密集種植,並在種植過程中大量使用化肥和農藥等農用化■學品的方式,這使土壤生態系統遭到了劇烈擾動甚至破壞,造成」土壤生物多樣性降低、系統功能多樣性和穩定性下降。二是許多通過馴化選育方式培育的現代植物品種,失去了自己招募『土壤有益微生物的能力,造成根際土壤微生物群落功能與植物的環境適應性脫鉤,使其宿主植物抗病性和抗逆性等能力減弱。

                當土壤—植物〗系統生物群落動態平衡被打破後,環境會朝著有利於土就是他是专心壤有害生物的方向變化,有害生物(如病原細菌或真∑ 菌)通過根際入侵植物,引發土傳病害。植物除了通過自身免疫抵禦病原菌侵害之外,在其⌒ 根系周圍的土壤微域即根際中生活似乎整个人的細菌、真菌、病毒和原生動物等微生物,也發揮著重要作用,它們聚集形成一個相互作ω 用密切的群落,成為保▓護植物免受土傳病原菌侵害的第一道生物★防線。而根@際土著土壤微生物多樣性越高,占據的根際生態位越多,留給病原菌的生存空間就】越少,並且,微生物群落』互作網絡越密集,形成的制約型互作就▼越強,抑制和除去有害病原菌的能力也越強,這為植物健康生長提供了保障。

                近年來,在減肥減藥的政策推動下,增∮施有機肥和發展綠色生物農藥等措施,對恢復土壤生物多樣性有積極意義。值得關註的是,大量研究表明,接種功能微生物有助於提◎高土壤微生物群落的多樣性,促進植〖物生長,提高植物抗逆性和抑制土傳病害的能力。如在根際土壤引入專一靶向侵染病原菌的噬菌體,可大︽大降低病原菌數量,削弱其在根際的競爭丝毫听不出点情绪能力,為其他微生物生長提供條件,恢復、提升根際微生物群落多樣性,使一些競爭力︾強的有益微生物重新占據根際生∮態位,維持土壤—植物系♀統的健康。所以,恢復和提高土壤微生物多樣性是實現土壤健康和農業綠色發展的根本措施之一。

                -土壤生物多〗樣性與環境保護

                當前,土壤汙染等環境問題打破了原有土壤生物多樣性◣相對平衡的格局,對物種的生存與繁衍構成了嚴重威脅。

                土壤汙染對土壤生物多樣性的影響體現為:一是汙染物的直接毒害作用。土壤中重金屬◥等無機汙↓染物和有機汙染物,往往對生物具有較強毒性,其中“三致效應”(致癌、致畸、致突變)和生殖毒性足□以使生物喪失生存和繁衍能力。二是土壤汙染引起周圍環境變化,導致物種◤喪失生存環境。如礦區和電子廢棄物堆置地等汙染場地往往“寸草不生”,因ぷ為土壤中汙染物在細胞層面破壞了生物的生理代謝過程並在其體內累積,造成土著微生物群落多樣性改變甚至消減,蚯蚓、線蟲和跳蟲等土壤動物消亡,植物ぷ生長遲緩、生物量和品質下降,這些過程極大地破壞了物種原有賴以生存的環境,同樣造成物杜世情黯然长叹種多樣性喪失█。三是土壤中的╳汙染物可以通過生物富集作用,影響食物鏈後端生物的【生存與繁殖。例如甲基汞,作為日本水俁病的元兇,大◣多由無機汞經微生物或動植物的轉除了喝醉那一次这家伙化作用而形成,極易經過生物鏈富集√√,因此即使在甲基汞含量很低的土壤環境,也可能在生物體中觀察到高濃度的甲基汞。此外,土壤中持久性有機汙染物因其化學性質穩定及高親脂性∩,同樣可經過食物鏈傳遞放大,對食物鏈後端生物具有顯著毒性。

                另一方面,土壤生物也能通過自身生理代謝過程,直接或間接地降解或轉ㄨ化土壤中的汙染物,抵抗土壤汙染帶來的危害,同時恢復土◤壤質量。比如,土壤中微生物可以通過羥基化、甲基化和羧基化等途徑,降解難以自然降解的有機汙染物;通過靜電@ 吸附、表面絡合等作用吸附固定重金屬等無機汙染物;通過細胞內外的酶反應,與金屬離子發生直接←氧化還原反應,如汞抗性細菌能將二價汞還原為毒性較低☆的汞單質,同時,還可利用生物成礦過程,間接氧化固定〇重金屬,降低其生物有效性。與此同時,重金屬超積累植物可以军部大量吸收轉運土壤■中鋅、鎘和砷等汙染物,高效“提取”土壤中的汙染物,提升土壤自▽凈力。

                -土壤生物多樣性與氣候變化

                化石燃料燃燒、樹木砍伐、土地的不合理利用等人類活動,對全球氣候產生了深遠影響。氣候變化直→接或間接影響了土壤生物群落也会在不知不觉之间紧张起来的穩定,威脅土〗壤生物多樣性 [7]。氣候變化對土壤生物多樣性的影響主要為以下三方面:

                (1) 影響土︻壤有機質輸入。CO2濃度與氮沈降總量升↑高,可視為對植物的“施肥作用”,促進植纵然是那么微不足道物生長並改變雕落物與根系分泌物質量和組成,使以植物¤殘體為食的土壤生物主導物種發生改變。降水格局的改變使大範圍幹旱□ 時有發生,導致地上植物減產,降低土壤@中有機質的輸入量,造成土壤生物多樣性組成地理空間差異。同時,氮沈降增大赵边境整整四个州县数十万人加了土壤中氮素含量△。土壤中氮素一定程度的增加能促進土壤中氮循環,使土壤生物高效利用土壤中有機碳,提高土△壤生物多樣性。但氮素的大量增加則對土壤生物產生毒害作用,反而降低土壤生物多樣性。

                (2) 影響土壤生物生♀境。作為土壤但与此同时中最活躍的組分,土壤生物對環境的變化十分◎敏感。CO2濃度與氮沈降的增加導致土壤pH下降,降雨格局導致的幹旱使土壤生物群落中物種豐度下降,促使群落向更適應環境的方向▂演替。農業生產中而且是当初自己刀口下,氣候變化使作物生長周期發生變化,導致種植者更頻繁地施肥、翻耕,降低了真菌的◥競爭能力,使細菌在●土壤微生物群落中占主導地位。

                (3) 影響土壤生¤物食物網。在農業生產中,種植者不得不使用更多的農藥,去應對氣候變化引發的更頻繁♀的蟲害;鋪設覆蓋物以應對極端天氣的發生。這些強力的幹擾使土@壤生物群落不再穩定,土壤生態系統中部分食物鏈斷裂,導致食物網簡化,部分優勢物種缺少捕食者的制約,搶占更多資々源,致使土壤生物多樣性降低。

                同時,全球變暖的前提下,寒溫帶、高寒地區土壤中更加適應高溫的生物中的有機質礦化∮基因表達水平升高,大量分解轉化土壤中的有機物这位父亲贫困中被自己救治,釋放更多◥溫室氣體,加劇氣候變化中心。當前,氣候變化對自然生態系統的威脅已初見端倪。在治理氣候變化的道路上,我們暫①時無法從根源上抑制氣候變化的加劇。土壤生物與氣候變化之乃是想要以一个江湖人間有著千絲萬縷的▂關系,需要科學合理地利用土壤,協調土㊣壤與大氣間溫室氣體交換的盈虧,以緩解氣☉候變化。

                -土壤█生物多樣性與公共衛生

                許多引起動植物和人類疾病的生物體或它們的媒介生活在土壤中,它們與人類疾病和∮環境的關系還沒有完全被闡明。要解決◣土壤管理和公共衛生問題,需要了解土壤生物及其之間的相互作用,以及它們為何在土壤中普遍存在或持續存在。例如,一些土壤傳播的病原體,如假單胞菌屬◥和腸桿菌屬,是可以感染和引起人類疾病的機會性物種,但其在土壤食物網中的主要功能是拮抗植物根性病原體、促進№植物生長和作為分解者。其他土壤傳播的病原體是專性寄生蟲,它們需要寄主來完成它們的生≡命周期。這些生物大多能在土壤中存活數周至數年。比如炭疽桿菌會引起一種人畜共患疾病炭疽熱,其孢子可以在土壤中休眠∴數十年,但隨著既然只是个小人物大雨的降臨,它們會被帶到土壤表面,附著在動物吃的草根和草上。此外,土壤中的細⊙菌、真菌▓和一些無脊椎動物,如線蟲和蟎←蟲,可以被風吹到幾百到幾千千米的地方,這可能會造成大面積疾病的暴發。例如,美國西南部地區的谷熱就是由╱一種土壤真菌——球孢子〖菌引起的,它在土壤中受到幹擾時產生〇風孢子,可導致動物和人類肺部疾病,甚至死亡。這些引起人類傳染病的土壤傳播病原體若是没有意外可以是土壤的真正居民,也∩可以在通過接觸、病媒或糞便傳播給人類之前,暫時居住在土壤中。

                土壤中的大多數生物對人類健康不構成風險,導致人類疾病的土壤傳播』病原體和寄生蟲只占土壤生物的一小部分。相反,土壤生物多樣性№日益被認為對人類健康有益,例如叢枝菌根、腐生真菌和蚯蚓,它們在穩定土壤方面起關鍵作用,減少⌒ 了形成灰塵的可能性,清潔了空氣;陰溝腸桿菌是一種在土壤和水中發現的腸道細菌,它可作為一種@ 有效的生物修復被硒汙染的農業用水的手段,繼而可╳以凈化水源。此外,多項研究表明,接觸土壤微生物可以減少過敏性疾病的流行。特別是,有證據表明我們∏的免疫系統需要接觸土壤中可能从九劫剑那虚幻存在的病原體,才能產生免疫力。

                土壤生物多樣性及其固有的復雜性(土壤生物體的類型、大小、特征和功刚开始我还纳闷怎么尽碰到稀奇古怪能)不僅能夠ζ控制疾病,還會影響我們所吃的食物、呼吸的空氣和飲用的水的數量和質量。鑒於全球對有限的生產性土地日益增長的需求和〓可預期的傳染病的增加,我們迫切需要將提高土ω壤生物多樣性以♀維持人類健康的做法和保護戰略,納入全球和區域各級的土地、空氣和水利用政策,並與世界衛生組織等公共衛生組織合作,將其作為應對♂未來公共衛生防控的儲備。


                土壤生物多樣性的保護與展望

                土壤生物多樣性及其所提供的生態系統服務,對全球生態系道統至關重要。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〓境汙染等,加劇了土壤生物多樣性的下降。因此,有必要明確其受到的♂威脅因素,並采取切實可行的保護措施。

                -保護措施

                (1) 改善土壤生境。如在農田生態系統中,施』用綠肥或覆蓋作物種植、以有機肥和微生物肥料替代化肥等措施,不僅能夠給土壤生物帶來豐富多樣的食物資源,還能改善土壤生物賴以生▲存的理化環境。實行輪作或間套怔怔地站在那里作等多元化農業模式,能夠使土壤生境和資源更神情有说不出加多樣化 [8],同時可以控制∮病蟲害,緩解因農藥大量使用對土壤生物產生的傷害。而在自然生態系統中,則可通過維持地上植物多樣↙性 [9],提高安全輸入到土壤中的有機物數量與多樣性,從而構建起有利於生物生存的微生境結構。

                農田土壤生物多樣性保護措施示意圖

                (2) 減少幹擾。對於農業管理來說,減少農藥化肥用量及減▂少物理擾動的少耕、免耕措施,不僅直接使土壤生物免受威脅,而且能夠≡協調土壤的水、氣、熱,為土壤生物創造更好更多的生存空間。對於自然生態系↑統來說,保護林地以及減少草地的過度放牧等,可以有效維持植物的生產看了一眼力和多樣】性,從而有助於保護土壤生物多樣性。此外,減緩全球氣候變化的措施,也從整體上有利於土壤生物多樣性的長期維「持。

                (3) 系統保護。土壤生物群落不僅包括有益生物,還包括許多有害生物。因此,土壤生物多樣性的保護是一項系統工程,既要考慮不々漏掉一種有益生物,也要梦ザ添情考慮不能盲目放任有害生物。無論是采取促進措施提高生物多」樣性,還是減少對現有生物多樣性的損害,都需要從整體和全局來考慮,避免為了保護生物多樣性而導致有害生㊣ 物的發展◤。此外,以往的生物多樣要害也在别人性保護措施往往忽視了生物之間相互作用的影響,在保護或促進某種生物時,要考慮該ξ 生物的長期變化會受到其他生物的▆影響。因此,在今後制定管理政策⊙時,必須用系統的觀點對待土壤生物多樣性的保護,避免頭痛醫頭,腳痛醫腳。


                展望

                盡管土壤生物多樣性的研究已經取得了諸多█進展,但人類對土壤生物多樣性的了解還很有限,土壤中到底存在多少種生物等基本問題,尚無法明確回答。未來土壤生╲物多樣性的保護和利用可從以下幾個方面展開。

                (1) 建設原位土你想好了壤生物多樣性監測平臺。我國不同地區氣候差異顯著,生態系不做解释統豐富◆◆,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,為未來開展土壤生物多樣性監測提供了很好的基礎。對我國主要生態系統類型以及重∞要棲怎么就会到这里?他是怎么发现我息地的土壤生物類群進行定點、長期的監測,摸清生物多樣性的資源、演變規律以及︼威脅因子,將為我國№土壤生物多樣性保護及生物資源的挖@ 掘利用,提供科技支撐。

                (2) 開發利用土壤生物資源。土壤生物作為農業生產、醫藥衛生和環境保護等領域的核心生物資源潘帕斯巴蒂之一,以其豐富的物種和功能多樣性,在應對糧食、能源、生態與環境等方面都具有巨大潛力,並成為新一輪科技革命的戰略◆高地。目前,將有用的微生物資源從土壤中分離、純化出來,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,未來搭建微生物資源√大數據共享平臺,以及推進微生物分離培養新◣技術,可以為充◆分開發、利用已知土壤生物資源,提供翔實的科學依據,將土壤生物的功能發揮到實處。

                (3) 進一步加強土壤生※物多樣性理論研究。現代土壤生物學應以土壤生物多樣性為基礎,以土壤—生物—環境的統一體為研究對象,以土壤生物的生態過程與服務功能為最◢終目標,構建起包括各土壤生︾物類群在內的,整合↘地上與地下、結構與ω 功能、生態與進化的多維度理論體系。最終,以科學理論為基礎,充分挖掘土壤生物多樣性的潛能,以保障还杀了咱们一个兄弟土壤肥力、環境和生態健康,促進植物健康、農產品战斗力健康,最終服務於人類健卐康和這個賴以生存的星球健康。


                褚海燕,研究員;王玉軍,研究員;梁玉婷,研究員;馬玉穎,博士後;高貴鋒,博士後;施衛明,研究員;孫瑞娟,高級工程師:中國科學院南京土壤研究所,南京210008。劉滿強,教授;韋中,教授:南京農∞業大學資源與環境科學學院,南京210095。柯欣,研究員:中國科學院分子植『物科學卓越創新中心,上海200032。

                Chu Haiyan, Researcher Professor; Wang Yujun, Researcher Professor; Liang Yuting, Researcher Professor; Ma Yuyin, Postdoctor; Gao Guifeng, Postdoctor; Shi Weiming, Researcher Professor; Sun Ruijuan, Senior Engineer: Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008. Liu Manqiang, Professor; Wei Zhong, Professor: College of Resource and Environment, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210095. Ke Xin, Researcher Professor: CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Shanghai 200032.


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