《生态农田实践与展望》连载之十七：土壤生物的生态功能与培育方法

蒋高明 郭立月

土壤生物的生命活动在很大程度上取决于土壤的物理性质和化学性质，其中主要的生态因素有土壤温度、湿度、通气状况和气体组成、pH，以及有机质和无机质的数量和组成等。农业技术措施包括耕作、栽培、施肥、灌溉、排水和施用农药等，也能影响土壤生物的生命活动，现代农业技术如农药、化肥、地膜、转基因对土壤生物损失很大。在一定条件下还可通过接种等措施有目的地增加某种微生物的数量及其生化强度。

人们通常认为，土壤是没有生命的。其实不然，它如同地球表面的各类生物一样“活”着。据科学估算，每克土壤中约有 1 亿个微生物，这些微生物各司其职、相互牵制，产生平衡作用，以维持土壤生态系统的正常运转。如果这个平衡被自然打破或人为打破，就会使土壤生态系统失去生命力走向消亡。

土壤生物的功能

在人类赖以生存的物质生活中，土壤与人类的生存和可持续发展息息相关。人类消耗的约 80%以上的热量、75%以上的蛋白质和大部分纤维都直接来自土壤。

保护好“大地母亲”是人类不容推卸的责任与义务。俗话说：“万物土中生。”作为动植物赖以生存的重要自然环境，土壤具有哪些功能？

首先，土壤具有生产功能，它支撑着生物的生长生活。植物能立足自然界，经受风雨的袭击而不易倒伏，是由于根系伸展在土壤中，获得土壤支撑的缘故。 此外，土壤还是众多生物的栖息地，为生物提供藏身之所。同时，土壤为陆地生物提供了必需的营养物质。其中，植物需要的营养元素，氮、磷、钾及其他微量营养元素和水分，都主要通过根系从土壤中吸收。土壤也为动物及人类立足于生物圈提供了丰富的食品，既包括初级生产获得的植物产品，又包括次级生产获得的动物产品。

其次，土壤具有生态功能，可以起到固碳的作用。研究表明，仅农田土壤固碳就可以抵消约 13.1%的温室气体。我国耕地土壤有机质含量每提高 1%，就可从空气中净吸收约 306 亿吨二氧化碳。土壤好比一个净化工厂，当少量有机污染物进入土壤后，经过生物化学降解可降低其活性，转变为无毒物质；进入土壤的重金属元素通过吸附、沉淀、氧化还原等作用，可变为不溶性化合物，使某些重金属元素暂时退出生物循环，脱离食物链。

最后，土壤还具有缓冲性。当在土壤中加入酸性物质时，土壤可以使酸中和；反之，如果有碱性物质加入，土壤又能表现出酸的性质而加以中和，使土壤本身保持相对稳定的酸碱度。当可溶性盐类或肥料过多时，土壤中的无机物及有机物便会吸收一部分，不至于因盐类太多而伤害植物；而一旦盐类不足时，土壤又能缓慢释放出所吸附的盐类，为植物生长提供所需营养，供植物吸收利用。

土壤也会生病？答案是肯定的。虽然土壤具有净化的“本领”，但其能力是有限的。如果人类把大量工业废水废渣、化学肥料、酸碱、盐类、重金属及不断产生的高热倾入其中，那么土壤就会生病失去活力。与空气和水体不同，土壤污染更具有隐蔽性、积累性和难治理性。土壤污染治理通常成本较高，而且难以在短期内大规模修复，治理周期长、见效慢。合理的人类活动可以使土壤质量向好的方向变化，如利用定期施用有机肥、保护性耕作、秸秆还田等方式保持或提高土壤质量。

土壤退化与土壤生物的关系

不合理的人类活动可以导致土壤质量向坏的方向变化，如过量施用化肥、农药、高强度多频次耕作等，将会造成土壤污染、板结、退化、理化性状及生物多样性差、土壤肥力下降，不利于农业可持续发展。农作物吸收土壤矿物生命元素，形成酶进行光合作用，将空气中的碳、氢、氧和氮 4 种元素转化为农作物本体。因此，一万年以来，农民一直把农作物带走的矿物生命元素还给土壤，实现其循环。

然而，最近几十年，农民不断在土壤中种植农作物，而不把带走的矿物元素还给土壤。土壤还在那里，但本质变了，有机质和矿物生命元素越来越少，矿物元素的严重流失，通过食物必然造成人体严重缺乏矿物元素，让人体处于疾病状态。

农田退化是困扰我国农业发展的重要问题。有机肥替代化肥不仅能够解决秸秆利用问题，提高土壤肥力，改善生态环境，还可以提高土壤生物多样性，进而保持作物产量（李霄，2011；蒋高明 等，2017）。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成者，主要包括土壤中的真菌、细菌、放线菌、藻类和原生动物等（姚晓东 等，2016），是土壤生态系统中最为活跃的部分，在维持生态系统整体服务功能方面发挥着重要作用，常被比拟为土壤碳、氮、磷等养分元素循环的“转化器”、环境污染物的“净化器”、陆地生态系统稳定的“调节器”，参与了有机物的分解转化、养分的转化和循环、能量流动、与植物共生，以及影响生物多样性和生态系统功能等几乎所有的土壤生命过程（Lin et al.，2004），因此土壤微生物的组成和含量都被看成是指示土壤质量的重要指标（Hungria et al.，2009；Santos et al.，2012），另外，土壤微生物对微环境十分敏感，当生态机制变化和环境改变时，微生物的群落结构也发生变化（张瑞娟 等，2011；刘彩霞 等，2015），被认为是较有潜力的敏感性生物指标，也被推荐作为生态风险评估项目之一（张妤 等，2015）。提高土壤微生物的含量及群落结构的多样性，改善土壤微生物的组成结构，是改善土壤肥力、稳定土壤生态环境的有效手段。

有机肥由于具有一定的微生物源和丰富的有机质，可以改善土壤微生物的群落结构，从而对土质改善、肥力提高产生积极作用（甄珍，2014）。磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acid，PLFA）为磷脂的一种，是活体微生物细胞膜的重要组分，在不同的微生物类群（如细菌、真菌、放线菌）中有所不同，其水解释放的脂肪酸组成的差异可以反映微生物群落结构的差异，其中部分 PLFA可以作为分析微生物量和微生物群落结构等变化的生物标记（王曙光和侯彦林，2004；颜慧 等，2006；Drenovsky et al.，2010），因此，从土壤中提取 PLFA 的方法和技术被广泛用于土壤微生物群落结构的研究（Fernandes et al.，2013）。

PLFA法就是通过分析这种微生物细胞结构的稳定组分的种类及组成比例来鉴别土壤微生物结构多样性，这个方法在 20 世纪 60 年代就被提出，在 70 年代末被引入土壤微生物的研究中，已有 50 多年的历史，已成为土壤微生物生态学研究的经典方法（姚晓东 等，2016）。PLFA 法之所以被这么多人使用，是因为相对于其他方法，它能够更敏感地响应微生物群落的变化，快速解读出微生物群落组成是否受到环境变化的影响（颜慧 等，2006；姚晓东 等，2016）。磷脂是构成生物细胞膜的主要成分，约占细胞干重的 5%，细胞死亡后磷脂快速降解（White et al.，1979），所以相对于其他方法，它能够提供更多微生物表型和活力等生态学层面的信息（李新等，2014）；另外，PLFA 法适合微生物群落的总体分析，而不是专一的微生物物种研究，既能定性又能定量，方法已经相对完善和成熟，成本相对较低（张洪勋 等，2003；姚晓东 等，2016）。