耿文叢 ,馬 悅 ,張玉雪 ,朱 峰

(1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室 石家莊 050022;2. 中國科學院大學 北京 100049)

有關(guān)研究表明,到2050 年,超過2/3 的世界人口將實現(xiàn)城市化,可用耕地預(yù)計將減少1/3[1-2],而我國人均耕地面積僅有世界人均面積的40%。隨著人均糧食需求的逐步增長,引發(fā)了人們對未來如何滿足糧食需求問題以及在提高生產(chǎn)力以提供充足食物的同時將給環(huán)境帶來什么影響的思考[3-4]。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為傳統(tǒng)耕作的替代方法,通常比大田種植的作物資源利用率及單位面積產(chǎn)量更高,節(jié)能且對環(huán)境可持續(xù)[5]。發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為解決我國人多地少、制約可持續(xù)發(fā)展問題的最有效技術(shù)措施[6]。

近年來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展,目前已成為世界上設(shè)施栽培面積最大的國家,到2020 年,我國設(shè)施栽培面積已突破400 萬hm2,其中溫室大棚栽培面積達370 萬hm2[7]。與其他國家利用水培或基質(zhì)培等無土栽培方式不同,我國無土栽培面積約1000 hm2,不足設(shè)施栽培總面積的0.1%,未超過發(fā)達國家50%的水平[8],設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培仍以常規(guī)土培為主,因此我國對于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的關(guān)注日益增多。然而隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展,其特殊的生態(tài)環(huán)境與不合理的水肥管理措施導致微生態(tài)環(huán)境發(fā)生顯著變化,設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤問題逐漸顯現(xiàn),如次生鹽漬化、酸化、微生物區(qū)系失衡、土傳病害等一系列問題,影響了作物的生長。例如在設(shè)施番茄(Solanum lycopersicum)中,土傳真菌病害黃萎病致病菌的微菌核能在土壤存活十幾年,而且其寄主范圍廣泛,能夠感染數(shù)百種植物。充分認識和關(guān)注設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康問題,設(shè)計舉措和行動對保護和恢復(fù)設(shè)施土壤、提高設(shè)施土壤生產(chǎn)力和設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展有重要指導意義。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康概念及評價指標

1.1 概念

近年來,土壤健康已成為人們廣泛關(guān)注的研究主題,但由于土壤的異質(zhì)性、土壤管理的特定性以及對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的不同需求等,科學家在定義土壤健康的方式上存在挑戰(zhàn),并不容易界定或把握土壤健康的概念[9-10]。雖目前還未有完全統(tǒng)一的定義,但一般認為土壤健康指“土壤在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用范圍內(nèi),發(fā)揮重要生命系統(tǒng)的能力,以維持植物和動物的生產(chǎn)力,維持或改善水和空氣質(zhì)量,并促進植物生長和動物健康的能力”[11]。土壤健康概念的興起和發(fā)展在很大程度上體現(xiàn)了人類在不同歷史發(fā)展時期對土壤資源的認知水平,也體現(xiàn)了人類對可持續(xù)性發(fā)展意識的覺醒與深化[10,12-13]?，F(xiàn)在越來越多的科研工作者將土壤健康與食品健康及人類健康聯(lián)系在一起,研究其對人類社會和可持續(xù)發(fā)展的重要意義。如我國學者[14-17]強調(diào)土壤健康應(yīng)更注重從我國可持續(xù)發(fā)展需求考慮,內(nèi)容不應(yīng)僅僅局限在土壤物理健康和化學健康,也應(yīng)包含土壤生物健康、環(huán)境健康、人類健康及全球生態(tài)系統(tǒng)健康。但有關(guān)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的概念幾乎是空白,大家對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的認知不夠,所以維護設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的意識也很薄弱。因此,我們可以以土壤健康概念為基礎(chǔ),從土壤的特定功能及應(yīng)用實踐角度出發(fā),對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康進行定義,實現(xiàn)從土壤健康到設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的表達。設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康可以指“在以相對可控的條件進行作物高效生產(chǎn)的方式下,土壤能夠發(fā)揮其能力以維持作物生產(chǎn)力、動植物多樣性,并促進動植物和人類健康,同時能夠持續(xù)生產(chǎn)出既豐富又優(yōu)質(zhì)的作物產(chǎn)品的能力”。

1.2 評價指標

1)物理指標: 土壤物理狀況對植物生長和環(huán)境有著直接或間接的影響。表征土壤健康狀況的物理指標有土壤容重、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、土層厚度、孔隙度和團聚體穩(wěn)定性等[18-20]。其中容重和孔隙度能夠更好地代表土壤利用和管理對水、空氣關(guān)系的影響,土壤大孔隙度的增加不僅提高了土壤水分的滲透性,而且提高了空氣和根系的滲透性[21-22]。

2)化學指標: 土壤養(yǎng)分存在形態(tài)和含量直接影響植物的生長。土壤化學指標包含有機質(zhì)含量、pH、速效磷含量、速效鉀含量、總氮含量和速效氮含量等[23-26]。其中土壤有機質(zhì)為人類社會帶來了很多益處,比如提高土壤肥力、水凈化和持水能力,防止侵蝕風險,并提高食物和纖維供應(yīng)[27-28];土壤pH 會影響?zhàn)B分的植物有效性;土壤中的養(yǎng)分耗盡會使植物更容易感染病原體[29]。

3)生物學指標: 土壤不僅是一個物理和化學復(fù)雜的異質(zhì)環(huán)境,也是一個具備微生物和動物類群高度多樣性的環(huán)境,包括細菌、真菌、放線菌和蚯蚓、線蟲等[30]。這些土壤生物是土壤中具有生命力的主要部分,是評價土壤健康狀況的重要指標之一。土壤健康的生物指標不僅包括這些微生物和動物的種群數(shù)量,還包括土壤呼吸等代謝過程以及與土壤有機質(zhì)分解有關(guān)的土壤微生物活動的間接指標[31-36]。

國內(nèi)外常選擇土壤物理和化學指標進行土壤健康評價,其中化學指標應(yīng)用最為廣泛,而生物學指標較少[37-39],由于土壤生物直接參與大部分土壤生物化學過程,并深刻地影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)功能,因此,在現(xiàn)有物理、化學指標體系基礎(chǔ)上,篩選更多的生物學指標能夠更全面地反映土壤健康程度[40]。而如何有效判斷土壤健康狀態(tài),是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基本問題[9]。然而與土壤健康的評價指標相比,設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康評價指標仍處于起步階段,還未得到大家認可。廣義上的土壤健康指標和設(shè)施條件下的土壤健康指標一定程度上是相通的,在對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康進行評價時,可以在科學真實、敏感性高、可管理、準確且成本較低、能反映土壤功能與目標間的聯(lián)系等標準上,綜合多種土壤健康評價體系[41]。然而,對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的評價指標來說,除了上述所提到的物理、化學、生物指標外,還應(yīng)該包括產(chǎn)出指標,比如設(shè)施土壤的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品品質(zhì)等。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤存在的問題

設(shè)施農(nóng)業(yè)是高復(fù)種指數(shù)、高投入的產(chǎn)業(yè),為了追求更高的經(jīng)濟效益,種植者往往會不斷增加化肥農(nóng)藥等的投入,而這種高投入會造成一種惡性循環(huán),且隨著種植年限延長,土壤的理化性質(zhì)會發(fā)生相應(yīng)的變化,引起一系列不同程度的土壤障礙問題,如次生鹽漬化、酸化、板結(jié)、微生物區(qū)系惡化、土傳病害頻發(fā)等(如圖1 所示),還會造成養(yǎng)分冗余,帶來資源浪費和經(jīng)濟損失,還有可能導致環(huán)境問題[42-45]。

2.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)管理措施的問題

設(shè)施農(nóng)業(yè)通常為增加經(jīng)濟效益從而較長時間連續(xù)種植同一種作物,造成種植品種單一、復(fù)種指數(shù)高、連作等,導致土壤養(yǎng)分失衡、土壤板結(jié),影響植物對養(yǎng)分的吸收,還會導致土壤微生物活性降低、病原菌積累,引起土傳病蟲害的發(fā)生。

在對設(shè)施農(nóng)業(yè)的管理過程中,養(yǎng)分管理是滿足需求的一項重要措施,可以提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì),但種植者不合理的施肥措施也會造成氮磷積累、鹽堿化、重金屬積累等問題。以設(shè)施蔬菜為例,有研究發(fā)現(xiàn),我國主要設(shè)施蔬菜區(qū)平均化肥養(yǎng)分用量1354.5 kg·hm-2,是農(nóng)作物的4.2 倍[46];在郭春霞[47]的調(diào)查中,溫室蔬菜栽培土壤的平均鹽度為4680 mg·kg-1,遠遠超出質(zhì)量評價標準中的2000 mg·kg-1;化肥中鎘濃度磷肥中最高可達28.2 mg·kg-1,遠超過化肥中砷、鎘、鉛、鉻、汞限量值1 mg·kg-1(GBT 23349-2009)[48]。這些會通過影響土壤質(zhì)量而影響作物,抑制作物生長發(fā)育、降低作物產(chǎn)量及品質(zhì),最終威脅人類健康。

在對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)尤其是設(shè)施溫室進行病蟲害防治的過程中,農(nóng)藥仍是保護作物免受病蟲感染較為常用的一種方式。有研究發(fā)現(xiàn),我國設(shè)施蔬菜年施藥可達30～70 次,每667 m2施用量為大田作物的十幾甚至數(shù)十倍[46]。其使用次數(shù)多、施用量大,長期施用會使植株產(chǎn)生抗藥性、危害有益資源,農(nóng)藥殘留還會對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的生物功能產(chǎn)生重大影響,如影響微生物活性[49-51]。

2.2 土壤環(huán)境問題

設(shè)施土壤比露地的耕層結(jié)構(gòu)更好,持水力更強,但隨著種植年限的增加,土壤的孔隙度降低,通透性變差,會造成土壤板結(jié),導致植株根系呼吸受阻,從而影響植物吸收水肥的能力。同時,由于設(shè)施農(nóng)業(yè)長期處于復(fù)種指數(shù)高、肥料施用量大的條件下,且土壤溫度偏高、水分蒸發(fā)量大,下層土壤中的養(yǎng)分隨深層土壤水分蒸發(fā)向上遷移,易導致土壤次生鹽漬化[52-53]。另一方面,隨著連作年限的增加,設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的pH 逐漸下降,土壤酸化,而土壤酸化除直接危害植物外,還會抑制作物對磷、鈣、鎂等的吸收。

設(shè)施農(nóng)業(yè)條件下,連作還會導致植物根系產(chǎn)生自毒物質(zhì),造成設(shè)施土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性失調(diào),病原菌大量富集、侵染、傳播。隨種植年限增加,病原菌成為土壤中的優(yōu)勢菌群,占據(jù)微生物群落的主導地位,從而導致土傳病害的發(fā)生,其中由于土壤根際土傳病原微生物豐度增加造成的真菌性和細菌性病害較為嚴重,包括枯萎病、立枯病、黃萎病、青枯病和線蟲病害等,導致植株大面積死亡、減產(chǎn),嚴重影響設(shè)施生產(chǎn)[54-55]。

3 設(shè)施農(nóng)業(yè)的土壤健康調(diào)控技術(shù)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高,設(shè)施化種植已成為我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。然而,種植品種單一、復(fù)種指數(shù)高、過度施肥施藥等不恰當?shù)墓芾韺Z食安全和土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大影響,如養(yǎng)分利用率低、生物多樣性降低、微生態(tài)環(huán)境破壞等,為了在未來維持生物量生產(chǎn),并避免負面影響,還應(yīng)回到土壤本身,保護生態(tài)健康的土壤,并對存在問題的土壤進行健康恢復(fù)[56]。土壤健康調(diào)控是指采用物理、化學或生物等措施對生態(tài)系統(tǒng)進行綜合管理,通過對土壤生態(tài)過程、作物生長過程及土壤生物間的關(guān)系進行調(diào)節(jié),為維持土壤健康提供有效保障[57]。其中,設(shè)施農(nóng)業(yè)的土壤健康調(diào)控問題,主要依靠合理的作物調(diào)控技術(shù)和土壤調(diào)控技術(shù),最終構(gòu)建模式圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康調(diào)控模式圖Fig.1 Soil health regulation model for facility agriculture

3.1 作物調(diào)控技術(shù)

3.1.1 調(diào)整優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中常進行單作、連作,但是單作為地下生物提供的資源種類和數(shù)量十分有限,不足以維持更多生物類群的生存與繁殖,不利于抵抗病蟲害;連作會導致設(shè)施栽培中根系分泌物、植物殘體等自毒物質(zhì)的積累,形成連作障礙。為解決單作、連作帶來的這種問題,應(yīng)調(diào)整優(yōu)化作物的種植結(jié)構(gòu),推行多樣化、環(huán)境友好型的設(shè)施農(nóng)業(yè)種植模式。然而,目前調(diào)整種植結(jié)構(gòu)的研究仍以大田農(nóng)業(yè)為主,有關(guān)設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究相對較少,可以將大田試驗所積累的經(jīng)驗和結(jié)果應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。

作物種類多樣化不僅對于優(yōu)化作物生產(chǎn)至關(guān)重要,而且對于平衡土壤生物多樣性、提高土壤養(yǎng)分利用效率和減少土壤病原體的傳播以提高設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康能力也很重要[58-59]。比如在設(shè)施農(nóng)業(yè)中加入C4植物或豆科(Leguminosae)植物可以提高叢枝菌根真菌的豐度,C3植物可以增加抑制病害的細菌的豐度,因此可以將C3植物、C4植物、豆科植物和非豆科植物其中任何幾種進行混合種植[60-61]。

輪作是管理生物多樣性的傳統(tǒng)實用方法,可通過調(diào)節(jié)土壤中動物、微生物種群結(jié)構(gòu),加快土壤體系更新,利用增加有益生物類群與病蟲害對養(yǎng)分、空間和水分等環(huán)境因子以及生態(tài)位的直接競爭來增強土壤健康、抑制病蟲害爆發(fā),從而提高產(chǎn)量[62-63]。據(jù)報道,蠶豆(Vicia faba)作為豆科作物之一,與其他作物輪作可以改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤酶活性、提高作物產(chǎn)量[64];不同鷹嘴豆(Cicer arietinum)品種或豆類作物輪作可以改變土壤功能微生物群落,影響豆類作物和后續(xù)作物的生產(chǎn)力[65];與谷物、豆類輪作可以提高小麥(Triticum aestivum)作為后續(xù)作物的生產(chǎn)力和蛋白質(zhì)含量[66]。

間作可以通過減少人為化學污染、增強植物根系功能、增強土壤養(yǎng)分來增強土壤健康和空間利用效率和促進土壤微生物的生物功能[67-70]。作物間作具有高效利用資源的優(yōu)勢,由于增加了地上作物多樣性,提高了根際微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的多樣性,從而改善根際微生物生態(tài),促進植物抗病增產(chǎn),對作物生產(chǎn)起到積極作用[71]。有研究發(fā)現(xiàn),在木薯(Manihot esculenta)種植過程中,和豆類間作土壤具有更高的養(yǎng)分利用率和微生物多樣性,而且可顯著降低病害的發(fā)生率[72];在設(shè)施溫室中,玉米(Zea mays)間作蠶豆系統(tǒng)可通過增加相關(guān)基因的表達來增加氮的吸收[73]。

在增加設(shè)施農(nóng)業(yè)作物多樣性的同時也要注意作物組合和作物品種選擇問題,一方面是因為不同的搭配組合會產(chǎn)生不同的種植效果,比如不同科屬作物間作對養(yǎng)分的吸收會互補,不同深淺的根系間作可間接提高作物對土壤水分、養(yǎng)分的吸收等。另一方面是不同植物間作能夠形成化感物質(zhì)并產(chǎn)生化感作用來影響鄰近植物的生長發(fā)育,表現(xiàn)出在化感物質(zhì)處于低濃度時促進植物生長,而在高濃度時抑制植物生長,即“低促高抑”的現(xiàn)象[74]。

3.1.2 栽培抗性優(yōu)良品種

在設(shè)施農(nóng)業(yè)中,病蟲害、惡劣環(huán)境因素如鹽堿、酸化、土壤板結(jié)等,均極大降低了設(shè)施作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。為防治這些危害,較大幅度提高設(shè)施作物產(chǎn)量和品質(zhì)及經(jīng)濟效益,其中一個有效途徑就是培育種植具有改善土壤有益生物種群相容性的新作物品種,因為植物基因型可以顯著影響土壤微生物群落及其在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能[75]。近年來,我國就選育出了一批抗性優(yōu)良品種,如抗黃萎病及抗蟲害的番茄品種。通過開展作物抗逆機制研究、病原菌鑒定及抗性基因等分析,利用抗性標記篩選出抗病、耐瘠、高產(chǎn)能種質(zhì)資源,最終培育作物新品種,以增強作物生存能力,尤其是增強其抗病性能,免受病原菌傷害。

3.2 土壤養(yǎng)分調(diào)控技術(shù)

在設(shè)施農(nóng)業(yè)中,很多種植者為提高作物產(chǎn)量,把施用化肥作為提高土壤肥力的一個重要方法,而且施用量較大,但這不僅增加了生產(chǎn)成本,還導致設(shè)施土壤一系列問題。隨著人們對土壤健康的不斷關(guān)注,在保持土壤穩(wěn)定和不斷提高生產(chǎn)能力的同時,減少農(nóng)藥化肥投入,保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。施用有機肥代替化肥順應(yīng)了國家長遠需求,其營養(yǎng)元素齊全,能夠改善使用化肥造成的土壤板結(jié)、次生鹽漬化等問題,增強土壤保水、保肥、供肥能力,有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)本增效和農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)提質(zhì),同時可以提高土壤抑病能力,使土壤保持健康[76]。在我國,有機肥是一種非常豐富的資源,可用量約為4.0×1010t[77]。與無機肥料相比,有機肥可促進土壤團聚體的形成,使土壤更加疏松透氣,一定程度上提高土壤質(zhì)量,同時可以通過增加病原拮抗劑(即有益微生物類群)的數(shù)量抑制真菌病原體[78-79]。與單獨施用化肥相比,化肥與有機肥聯(lián)合施用能夠改善土壤條件和作物生理指標及品質(zhì)[80-82]。

在未來設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可根據(jù)肥料性質(zhì)和作物特性,科學合理配施肥料,同時控制施肥量、施肥時間等。因為有機肥的養(yǎng)分有效性和釋放速率受許多因素的影響,包括施用時間和施用量、微生物活性、土壤溫度和水分等[83]。同時,可以研發(fā)功能性有機肥生產(chǎn)技術(shù),綜合提高作物生育期的養(yǎng)分利用效率和抑病能力。

3.3 土壤生物調(diào)控技術(shù)

3.3.1 添加外源菌劑

微生物菌劑的科學合理利用不僅可以增強植物對病蟲害的防御能力,促進植物生長,而且對土壤環(huán)境無污染,是提高設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康水平的有效調(diào)控途徑。但許多年來很少有人關(guān)注通過外源添加菌劑提高作物產(chǎn)量及防治病蟲害,大多數(shù)種植者仍使用化肥、農(nóng)藥進行農(nóng)業(yè)管理,但對于植物病原性微生物等引起的土傳病害,有必要應(yīng)用新的生物技術(shù),改善土壤肥力和植物健康,從而在保護環(huán)境情況下生產(chǎn)足夠的健康優(yōu)質(zhì)食品[84]。近年來,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多有益土壤細菌及其菌劑,其所包含的微生物可以分泌吲哚乙酸、赤霉素、細胞分裂素、脫落酸、水楊酸等植物生長素[85-87];能促進土壤中難溶性磷、鉀的吸收及根際氮的積累,從而提高養(yǎng)分有效性,促進植物生長[88-90]。同時,還能分泌抗生素[91]、誘導植物產(chǎn)生抗性[92-93]、與土壤微生物競爭營養(yǎng)物質(zhì)以及生態(tài)位[94-95],在控制植物病害方面顯示出巨大的潛力。

在根際微生物宏基因組學研究中,Mendes 等[96]在變形菌、厚壁菌和放線菌中檢測到更多的病害抑制性,如芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、青霉菌屬(Penicillium)、鏈霉菌屬(Streptomyces)和木霉屬(Trichoderma)等[97-98]。有研究表明以枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) B908 為有效成分的生物農(nóng)藥能夠?qū)λ炯y枯病、煙草黑脛病及三七根腐病產(chǎn)生較好的防治作用[99];以蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtillis)為有效成分的生物農(nóng)藥具有良好的抗菌防病效果[100]。另一方面,生物菌劑還能防治蟲害,如芽孢桿菌分離物的生物控制作用已被有效地用于防止根結(jié)線蟲感染[101]。除具有抗病蟲害作用外,具有植物生長促進特征的有益微生物還可以通過鐵、鋅和硒的生物強化來防止植物微量營養(yǎng)素營養(yǎng)不良,直接或間接促進植物的生長[102],如Abdallah 等[103]研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌BSV41 和解淀粉芽孢桿菌Bacillus amyloliquefacienssubsp.SV65接種番茄后能提升番茄抗性相關(guān)酶活性,刺激病程相關(guān)基因的表達從而減輕枯萎病的感染,同時達到促生效果。然而大多數(shù)研究都集中在土壤細菌上,實際上真菌也對作物保護至關(guān)重要,如叢枝菌根真菌一方面可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤保水性,降低土壤滲濾液中氮和磷的總濃度[104],另一方面可以減少植物活性磷化合物和非活性磷化合物的浸出,從而增加有效磷含量來增加宿主植物的營養(yǎng)[105],直接或間接幫助抑制病害。

3.3.2 構(gòu)建人工微生物群落

在設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中蘊藏著數(shù)量巨大、種類繁多的微生物,它們一方面通過錯綜復(fù)雜的相互作用影響土壤的化學和物理性質(zhì)來促進物質(zhì)的循環(huán),提高作物養(yǎng)分有效性,直接影響土壤肥力來影響植物生長[106-109];另一方面可以通過激活植物抗病基因、調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng)和病原體競爭養(yǎng)分資源、抑制病原體的活性等方式來增強植物對土傳病害的抵抗能力[110-116]。土壤健康研究重要的進步之一就是在土壤管理中增加了生物學觀點,以應(yīng)對作物生產(chǎn)的長期可持續(xù)性挑戰(zhàn)[9],而且近年來也已提出許多以微生物為基礎(chǔ)的土壤健康指標,如微生物生物量、真細菌比值、微生物酶活性、群落組成和功能基因組成等。

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康調(diào)控離不開植物和根際土壤微生物群落間的作用?？梢砸胪庠从幸嫖⑸?、益生菌構(gòu)建抑病型根際微生物群落,從而形成健康土壤,控制黃萎病、枯萎病和根腐病等土傳病害,培育健康可持續(xù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤。同時,應(yīng)對微生物的豐度、活性、群落組成和特定功能等綜合考慮,如微生物多樣性不僅能使許多病原體無法存活,還能阻止外源病原體的入侵[117]。一些微生物通過土壤中的螯合、增溶、氧化或還原反應(yīng)增加植物對鋅、鐵和硒的有效性和吸收[118];一些有益的微生物能附著在寄生線蟲(如根結(jié)線蟲)的表皮抑制病害[119];高功能的土壤微生物多樣性還能增加系統(tǒng)的恢復(fù)能力,增強對高鹽、重金屬污染等逆境的適應(yīng)能力,使土壤不易受到環(huán)境短期變化的影響[56,120]。前面所提到的通過施加有機肥或添加菌劑提高土壤抑病能力也是通過改變土壤微生物群落的組成和活性來實現(xiàn)的[121-122]。生物有機肥及菌劑所攜帶的功能微生物不僅可以抑制病原真菌,降低其生存能力,同時還能重塑根際土壤微生物群落,激發(fā)土著有益菌群,協(xié)同抑制病原菌繁衍,增強作物抗逆、抗病能力。

3.3.3 調(diào)節(jié)土壤食物網(wǎng)

包括土壤動物和土壤微生物等在內(nèi)的所有土壤生物并不是孤立存在的,而是通過物種間的共生、競爭和捕食等作用構(gòu)成復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò),即土壤食物網(wǎng),共同參與土壤生態(tài)過程[123]。從調(diào)控土壤食物網(wǎng)的角度去提升設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康水平,也主要是通過調(diào)節(jié)食物網(wǎng)內(nèi)生物類群之間的互作關(guān)系來調(diào)控食物網(wǎng)平衡,從而培育健康的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤,實現(xiàn)綠色持續(xù)生產(chǎn)[57]。

土壤動物通過積極參與影響土壤性質(zhì)和質(zhì)量的過程來影響植物生長和土壤健康,如通過活動使土壤松軟,促進空氣和水的流動;無脊椎動物處理大量動植物碎屑,并影響新鮮物質(zhì)資源在土壤食物網(wǎng)中轉(zhuǎn)化的潛在速率[124-125]。其中,蚯蚓作為比較常見和易收集的土壤動物,能夠通過攪動不同的土層使其混合,促進有機物質(zhì)沿土層垂直或水平分布,加快有機質(zhì)的分解速率,其代謝特征和行為也已被證明是一種簡單的土壤健康指標[57]。除大型土壤動物外,設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中還存在許多中小型動物及微生物。由這些具有不同功能的土壤微小生物及部分中型土壤動物(＜2 mm)組成的消費者-資源關(guān)系網(wǎng)絡(luò)被稱為土壤微食物網(wǎng),其生態(tài)功能主要體現(xiàn)在微生物和食微動物間的相互作用對土壤的碳、氮循環(huán)過程和植物生長以及病蟲害發(fā)生等的影響方面[126]。最近有研究發(fā)現(xiàn),土壤原生動物對真細菌的取食能增加土壤有機質(zhì)分解,而且能夠廣泛參與植物根際微生物群落的構(gòu)建,影響植物生長和健康[127-128]。

在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可以通過堆肥、合理施用化肥、有機物覆蓋等措施來間接實現(xiàn)對設(shè)施土壤食物網(wǎng)的調(diào)控。堆肥中的微生物及有機質(zhì)能夠直接調(diào)節(jié)土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)[129];不同碳氮比的有機質(zhì)投入會對土壤食物網(wǎng)產(chǎn)生影響[130];易礦化的有機質(zhì)更能促進細菌生長繁殖,難礦化的有機質(zhì)更能促進真菌生長繁殖[131];施用化肥能改變蚯蚓對線蟲的抑制作用[132];增加氮的可用性是蚯蚓刺激植物生長的途徑[133]。土壤食物網(wǎng)是一個巨大的生物資源寶庫,是物質(zhì)和能量傳遞的重要載體,是土壤功能的基礎(chǔ),緊密連接著地上和地下的生態(tài)過程[134-135]。然而在設(shè)施農(nóng)業(yè)中,目前仍難以確定土壤生物種類及其食物網(wǎng)內(nèi)生物間的關(guān)系,對土壤食物網(wǎng)的調(diào)控也有一定的難度,但近來與土壤食物網(wǎng)相關(guān)的研究越來越多,未來可以通過建立土壤食物網(wǎng)監(jiān)測體系、發(fā)展簡單的土壤食物網(wǎng)調(diào)控技術(shù)以改善設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康狀況。

4 研究展望

近年來,設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康相關(guān)研究已經(jīng)成為我國研究的熱點之一,但就目前除尚未形成設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康評價體系和標準外,仍存在諸多不足:

1)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤利用仍面臨嚴重挑戰(zhàn)。耕地的退化使設(shè)施農(nóng)業(yè)受到越來越多的關(guān)注,但有些地區(qū)種植方式落后,因成本過高和環(huán)保農(nóng)業(yè)投入,長期的不科學栽培使設(shè)施土壤產(chǎn)生一系列問題,導致植物營養(yǎng)失衡,生長發(fā)育不良。對設(shè)施農(nóng)業(yè)而言,經(jīng)常是多種形式的土壤退化同時發(fā)生,有關(guān)設(shè)施土壤疊加效應(yīng)與交互作用研究較少。改善這些設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤問題的單項措施較多,綜合措施較少。

2)設(shè)施農(nóng)業(yè)地區(qū)發(fā)展不均衡。一方面設(shè)施土壤屬性很少是均質(zhì)的,即使是一個細微的差異也會對土壤調(diào)控產(chǎn)生直接影響,因此,雖然一些在實驗室條件或受控條件下的調(diào)控試驗顯示出比較令人滿意的結(jié)果,但設(shè)施栽培條件下達到相同的結(jié)果仍將是一項挑戰(zhàn)。另一方面,我國很多地方?jīng)]有因地制宜做好設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,區(qū)域分布較為不均勻。

3)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤調(diào)控技術(shù)仍存在許多問題。對于利用微生物菌劑、構(gòu)建合理生物群落等生物調(diào)控的研究較少;接種劑中微生物能否定殖還與接種位置和接種方式有關(guān);引入的微生物菌株若非本土菌株,可能破壞根際微生物的穩(wěn)定性;菌劑生產(chǎn)和運輸也需要特定的條件,如溫度等。實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康,第一應(yīng)建立完善的適合設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康的評價體系;第二應(yīng)該加強對設(shè)施農(nóng)業(yè)的管理措施并進行推廣應(yīng)用,如在未來設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可加強對微生物接種劑實際利用及影響因素等的研究;第三拓展新的調(diào)控技術(shù);第四對一些問題突出的重點地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)可以采用物理防治、化學防治和生物防治“三合一”的病蟲害綜合防控模式,形成設(shè)施農(nóng)業(yè)全程綠色生產(chǎn)技術(shù)體系,建立地上地下綜合協(xié)同防控系統(tǒng),通過建立示范區(qū),探索精準化調(diào)控措施,實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)健康發(fā)展;第五利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)施農(nóng)業(yè)進行智能調(diào)控。與大田農(nóng)業(yè)相比,設(shè)施農(nóng)業(yè)更需要專門的法律法規(guī)以確保其健康、可持續(xù)發(fā)展,未來可以推動制度建設(shè),在地方、區(qū)域和國家層面制定法律框架并進行實施;未來也可以建立適合不同地區(qū)或不同設(shè)施類型的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)標準。保護優(yōu)質(zhì)土壤,調(diào)控問題土壤,維持健康土壤是一個長期的過程,應(yīng)該多主體參與,如科研單位、政府、企業(yè)及種植戶,提升種植者的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康意識,積極維護設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤健康。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,地理信息技術(shù)、遙感成像技術(shù)和功能宏基因組學等越來越多地用在探索土壤異質(zhì)性的研究上,另外還可以推動生態(tài)學、地質(zhì)學、土壤學和水文學等交叉學科的發(fā)展。