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植物想要长得好?先得“种”好土壤微生物

编者按:

一些土壤微生物能够与植物根系形成共生关系,或者分布在植物根际,影响植物获得土壤养分的能力,如共生固氮菌、丛枝菌根真菌、植物根际促生菌。一方面它们帮助植物获得土壤养分,另一方面植物为它们的生长提供碳源,形成一种互惠互利的关系。

今天,我们共同关注土壤微生物。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些帮助和启发。

种植土壤微生物

当林务人员第一次试图在南半球种植非本地的辐射松时,要不是有人从原本的环境中带走了少量土壤,那么树木将无法正常生长。

The Crowther Lab 生态学家 Colin Averill 对此解释说:“当时他们并不知道,这种做法会帮助他们重新引入这些树木生长所需的真菌孢子。当我们种树时,很少‘种植’土壤微生物组。但是如果这样做,确实可以加快生态恢复。”

生态恢复已经成为人类最紧迫的任务之一。为了减缓全球变暖,我们知道我们需要使经济去碳化,并开始从大气中清除碳――我们一直在通过实现负排放技术和植树计划来实现这一目标。

但是直到最近,人们才将更多的注意力转向了另一个潜在的碳捕获工具:土壤。令人惊讶的是,陆地生态系统中 80%的碳储存在地下。根据国际倡议“千分之四”, 土壤碳含量仅需增加 0.4%,就足以阻止大气中二氧化碳的增加。

这就是为什么科学家们开始改变对土壤的看法,对生态系统的这一关键部分开展更多的研究。用进化生物学家 Toby Kiers 的话说:“我们正在颠覆‘植物中心主义’。你在地面上看到的只是地面下发生的事情的一小部分。”

正如我们的肠道微生物参与消化食物、抵抗感染,甚至使我们快乐一样,我们现在了解到土壤中的微生物对植物起着类似的主导作用。欢迎来到土壤微生物组的奇妙世界。

夏威夷发芽的辐射松

菌根真菌的核心作用

大多数人都认为树木或植物的根系会钻入地下并吸走养分,但这并不是真正发生的事情。相反,大多数植物的根部与菌根真菌建立了共生关系,正是这些真菌钻入土壤,分解土壤中的养分,并将其运回给植物。但是真菌并不是免费的:它们的报酬是植物光合作用产生的碳,真菌利用这些碳进行生长繁殖。

Kiers 说:“真菌非常依赖植物的碳,你可能会觉得这将导致植物的能量不平衡。但我不确定。真菌可以控制植物的养分吸收机制,并使植物完全依赖于它们的养分。”

她说:“我们需要专注于了解这些动态,不要再把这些菌根视为被动的管道,而应该把它们更多地视为发号施令的主角。”

Kiers 和她的团队研究了菌根真菌和它们的植物宿主之间的“贸易”关系,并注意到某些真菌的“交易”要比其他真菌更好:它们对磷和氮的给予相对吝啬,但却从植物中获取更多的碳。如果科学家们能够找到完美的“经济”条件,使营养物质变得更加“昂贵”,那么地下碳储量增加的潜力是巨大的。

但 Kiers 很谨慎:“我并不是那类建议我们应该修补自然的人,但你可以想象,这个系统可以以这样一种方式被优化,植物更慷慨地释放它们的碳,这样更多的碳可以被封存于土壤中。”

目前,世界各地的丛枝菌根网络每年吸收约 50 亿吨碳,相当于欧盟和俄罗斯每年的碳排放量总和。对 Kiers 来说,挑战是显而易见的:“我所在领域的面临的最大问题是:我们能把它扩大到什么规模? ”

仅仅在一汤匙的森林土壤中,就有数百万的菌丝,它们形成的网状结构复杂得近乎深不可测。由于全球菌根网络的庞大规模,即使土壤碳变化的幅度很小,可能也会产生巨大的整体影响。

地下微生物群落

将耕地转变为繁荣的荒原

我们增加土壤中的碳含量的其中一个方法可能是将农业用地转变为森林或荒原。但是当一块田地被耕种了几十年后,这种转变需要的不仅仅是一把种子。还记得林务人员试图将辐射松移植到南半球时的情况吗?不同的植物与不同的真菌之间会形成共生关系。

在耕地上重新造林的问题不一定是土地枯竭。在欧洲、中国和美国的大部分地区,大量使用化肥意味着土壤中的养分往往比较丰富。然而,几十年的耕作会破坏至关重要的地下菌丝网络。结果就变成这些被破坏的菌根网络只能支持早期的演替植物:杂草。

杂草并不能够促进生物多样性或增加碳捕获。而晚期演替植物,如那些在成熟的荒原或森林中发现的植物,才与丰富的物种和更大的碳储存有关。随着时间的推移,原农业用地上的真菌和植物群落将不断演替。随着地下真菌的多样化,地上的物种也会多样化,我们会看到农田慢慢地从杂草丛生的灌丛地过渡到成熟的荒原或森林。

然而,苏黎世联邦理工学院从事可持续农业生态系统研究的生态学家 Jasper Wubs 解释说,这种演替可能需要 30 年或更长时间。早在他开始研究这一主题时,Wubs 就想知道是否有办法通过引入更成熟的景观中的真菌,来加速从耕地到繁荣的生态系统的过渡。“我们想,如果我们把晚期的微生物接种到土壤中,缩短整个过程会怎么样?”

2006 年,Wubs 和他的合作者在荷兰以前的可耕地上开展了一项田间实验。他们从其他的土地上收集了两个不同的土壤样本:一个来自有几百年历史的干燥荒原,另一个来自 24 年前恢复的草地。该小组在田间总共在四块不同的土地铺上了一层薄薄的成熟的微生物接种剂。

六年后,Wubs 回到这里,发现接种不仅加速了生态系统的恢复,跳过了杂草丛生的阶段,而且还根据微生物接种剂的来源,引导植物群落向石楠荒原或草原的方向发展。

“这些实验表明,微生物有助于决定不同物种的适应性和它们的相对竞争能力,而这决定了植被会发展成什么样子,”Wubs 说,“你不能真的跳过三十年,但你会相当快地到达一个更有趣的演替阶段。”

根据 Wubs 的 2016 年研究,在实验开始的八年后拍摄了两个处理地的照片。

共生伙伴关系的重要性

苏黎世联邦理工学院 Crowther 实验室的微生物、菌根和生态系统生态学家 Colin Averill 受到了 Pinus radiata 故事的启发。在目前正在送审的一项研究中,Crowther 及其团队对数百个森林监测地的真菌群落进行了 DNA 测序,以解读土壤微生物组对树木生长的贡献。

Averill 总结了所发生的一切。“我们确定了与树木生长速度增加三倍有关的真菌,并且将这些真菌带回实验室,在幼苗中重现了这些影响。”

现在,Averill 正在两个随机对照的重新造林试验中应用这些知识:一个是在威尔士,与碳社区合作,另一个是在墨西哥尤卡坦半岛,与植树组织 Plant for the Planet 合作。从本质上讲,这项新的研究正在研究真菌群落的构成如何影响整个森林的功能。

威尔士的九公顷田间实验是几个世纪以来一直在放牧的牧场。“我们从 DNA 测序中得知,这些农业景观中的微生物群落与完整的森林中的微生物群落完全不同,”Averill 解释道,“有很多理由相信,积极为这片土地接种土壤微生物群落可能真的会促进森林的恢复。”

“你可以把它看作是一个随机对照的药物试验,”他说,“一半的树木从我们种植它们的地点获得‘安慰剂’土壤,一半的树木从附近的古林地获得‘治疗剂’土壤。”

这些树木今年春天在威尔士种植,研究小组将监测树木的生长,碳捕获,以及最重要的――树木的成活率。例如,作为总理 Abiy Ahmed“绿色遗产”项目的一部分,埃塞俄比亚公民在一天之内种植了 3.53 亿棵树苗,并因此登上了各大媒体的头条。但是,如果幼苗因为土壤贫瘠而不能茁壮成长,那么所有的辛勤工作都可能白费。

“有充分的理由相信,不成功的植树项目可能是因为缺少微生物伙伴,特别是当树木被种植在退化的、前农业景观中时,”Averill 解释说,“许多树木如果缺少共生伙伴,根本无法在野外生长。”

Glyncornel地区的草原真菌

我们不知道我们正在失去什么

世界各地的科学家们现在正急于探索土壤微生物组的生物多样性,找到能赋予植物非凡力量的微生物。例如,在 2018 年,德克萨斯大学的一个团队给柳枝稷接种了更多的抗压真菌,使植物本身更耐旱。

“真菌真的很有价值――我们几乎所有的抗生素都来自土壤真菌,”Averill 说,“但是它们也代表着不同的生物体解决问题的方式,代表了巨大的生物多样性。”

随着新发现的不断出现,越来越明显的是,我们忽视土壤微生物组会给我们带来危险。人类活动已经对我们的地下碳汇产生了巨大影响。2018 年的一项研究估计,放牧和耕地导致我们的土壤比没有农业的世界少储存 1330 亿吨碳。

“如果土壤温度上升会怎样?”Kiers 问道,“也许真菌可以生存,但如果菌根网络内部的营养流下降,哪怕是轻微的,那么也将对生态系统产生重大的上游影响。”

但是,如果科学家和农民能够合作,将养分流的平衡转向有利于碳储存,也许我们可以减缓气候变化的影响。“我们几乎从未谈论过保护微生物群落,但它们是任何生态系统的一个巨大组成部分,”Averill 说,“我们真的不知道我们正在失去什么。”

一个迅速变暖的星球正面临这样的危机,我们迫切需要解决这个问题,而答案可能就在我们脚下的土地。

原文链接:

https://news.globallandscapesforum.org/51373/can-soil-microbiome-restoration-carbon-sequestration-in-forests/

作者|David Charles

编译|拍了花宝贝

审校|617