利用微生物恢复土壤功能

Mary Ann Bruns是宾州立大学生态系统科学管理系土壤微生物学副教授Bruns研究组旨在了解如何通过更好地管理受农业和采矿影响的土地来提高土壤微生物的有益功能小组侧重于养分循环和水保留中重要的微生物过程目标在于识别由微生物辅助向植物提供水和养分并实现成本效益更高和更持久恢复的做法(图1)。

人类巨变地球保护性土壤层, 农业和采矿是最有害的土地使用严重扰动土壤导致它们无法保住水并循环养分,这是两个关键土壤函数,以缓解全球生物地球化学和水文不平衡Bruns解释道:“植物根、真菌、细菌和微型和大型动物之间建立的交互作用,一旦植被清除,土壤上升、掩埋或消蚀后,全部被摧毁。如何最有效恢复功能性微生物根网络, 改善养分回收、水保留和植物生产率

受农业和采矿影响的土壤不仅在养分和植物水供应方面有差异,它们为微生物生命提供鲜明对比的栖息地布鲁斯团队旨在学习两种土壤系统微信管理如何通过改善微生物生活条件提高土壤功能函数定义功能为土壤生物驱动捕捉、保留和回收水和养分能力

团队恢复研究确认,土壤功能取决于持续微生物可行性和活性图表摘自最近论文2描述微信化土壤管理通过减少扰动和持续提供有机残留物可促进有益的微生物过程深入研究说明在管理受农业和采矿影响的土壤时将微生物考虑在内

图2微信土壤管理可促进有益的微生物过程(Bhowmik提供et al.2017)文本相容颜色、连接箭头和线条为蓝色绿色化输入和红色输入

恢复农用土壤生物功能
土壤转换为农业前,由植物、动物和微生物残留物的微生物分解组成,形成数十年甚至几个世纪积聚的暗态物质农庄收割可防止大多数植物残留物回归土壤,开垦(例如播种)干扰和焦土,引起有机物快速微生物氧化这些做法加之风水侵蚀,导致世界范围农用土壤本地有机物储量下降二分之二

恢复土壤功能,持续供应新鲜根稀或有机残留物至关重要有机物增量支持富能碳化合物的微生物退化,向植物和其他微生物提供矿物质养分在有机复合物降解期间,微生物还产生分解物,结合可降解性较低的残留物生成稳定有机物因为它作用为水和养分保留海绵,稳定有机物改善微生物栖息地微分分解活动对土壤生物功能产生正面反馈

帮助恢复农业土壤生物功能的管理实践包括减少耕种、常年豆类轮作和覆盖种植3级冬季覆盖作物,夏末或秋季种植,添加有机碳并提供保护性土壤覆盖Bruns和她的同事正在评估土壤微生物过程的变化,以响应USDA资助的种植系统实验中的这些做法

Bruns集团特别关心土壤功能与主要植物可用氮形式(N)之间的关系N移动度较低形式(即、氨基酸、蛋白质)以功能良好的土壤为主,结果土壤居住时间较长并增加收成概率研究中潜在有益过程的一个实例是高移动硝酸

团队恢复研究确认,土壤功能取决于持续微生物可行性和活性

布鲁斯假设土壤中更多富能条件将提高土壤微生物能力,以较少移动形式保留N并避免它如此快地丢失环境这是一项改善土壤功能的重要目标,因为平均不到50%的肥料N

恢复受采矿影响的土地生产率
在美国阿巴拉契亚州光裸采掘近地煤矿影响了数以百万计的公顷面积1970年代政府立法授权开垦条状土地,但法律规定以最小植物覆盖量为基础,而不是以土壤特性为基础,结果导致原土地生产率很少实现点火后不良植物生产率持久存在,因为土壤多由岩石底土组成,这些底土已经储存并重新分配微生物在这些土壤中居住条件极差,有机物极低,由于设备重压难以获取水和空气

条形土地面积广,小片区结果高酸矿水从废弃地下矿中排出富矿井排水流时,酸性金属沉积在陆地上,在树后杀光所有植物贫化杀区特征是红欧表层氧化铁沉淀物(下方pH3)禁止血管植物生长任由无人看守,杀区数十年来不育,只允许生长耐酸苔或

Bruns和她的团队对离大学约100公里的Appalachian高原的可达AMD贫瘠物进行了研究4级大片荒漠不再淹没 由三个区组成 厚度异AMD沉淀 深度异水表

2006年,她的团队应用一种开垦法测试所有三大带的地块团队避免高N肥改堆肥和第一年护士燕麦修改的目的是通过刺激有机碳微生物活动并较慢释放矿物质养分,使植物-微博共生

反向期望,所有地块都成功重新植被,尽管每个区支持非常不同的植物群落即使在受污染最严重和水深点,他们的处理证明有效保有80%至100%的植物覆盖5年之久, 满足矿场开垦需求团队得出结论,即使是严重酸化网站也是可恢复的。他们的研究对当地社区有重要影响,通常遗留责任恢复受污染土地相对简单廉价技术的成功可局部实现

结论
为改善土壤功能性,我们可以通过改善土壤微生物的生活条件,提供充足但不过分的食物、空气、水和最小化栖息地中断布鲁斯研究有重要的实战应用 修复功能差的土壤 提高土壤质量和生产率从生物地理学到微生物群度等土壤系统所有方面都允许她应用高效恢复改善方法研究组未来工作将侧重于如何在更多样环境条件下将实验和现场研究推广到大区

显性联合体作为生物肥料和土壤调节器
依据重要土壤微生物过程需要更多研究关注这一思想,Bruns和前博士生新平调查使用生物肥料使用可达N₂定点化(即转换N₂从空气到矿 N植物根可以吸收使用观察多年局部农地表面复发后Bruns从PSU农科学院获取研究创新赠款开发DG1,这是一个强健的当地蓝菌和非合成细菌财团,用于土壤表面DG1显示修复N₂数量不足以满足N对玉米等作物的需求显示DG1提供表层稳定、水保留和侵蚀控制等其他生态系统服务显示DG1能力时,Peng显示2至3天N肥化土壤显微数DG1增长导致模拟雨后土壤硝酸盐保留比非贫化土壤多50-70%小点DG1加法( < 5 mg生物量^-2)比密度高应用效率高,使大区得到处理彭图图显示,氰化物联合体可调节土壤N,或修复N₂条件有限或高浓度时停止硝酸盐