編者按：

一些土壤微生物能夠與植物根系形成共生關(guān)系，或者分布在植物根際，影響植物獲得土壤養(yǎng)分的能力，如共生固氮菌、叢枝菌根真菌、植物根際促生菌。一方面它們幫助植物獲得土壤養(yǎng)分，另一方面植物為它們的生長(zhǎng)提供碳源，形成一種互惠互利的關(guān)系。

今天，我們共同關(guān)注土壤微生物。希望本文能夠?yàn)橄嚓P(guān)的產(chǎn)業(yè)人士和諸位讀者帶來(lái)一些幫助和啟發(fā)。

種植土壤微生物

當(dāng)林務(wù)人員第一次試圖在南半球種植非本地的輻射松時(shí)，要不是有人從原本的環(huán)境中帶走了少量土壤，那么樹(shù)木將無(wú)法正常生長(zhǎng)。

TheCrowtherLab生態(tài)學(xué)家ColinAverill對(duì)此解釋說(shuō)：“當(dāng)時(shí)他們并不知道，這種做法會(huì)幫助他們重新引入這些樹(shù)木生長(zhǎng)所需的真菌孢子。當(dāng)我們種樹(shù)時(shí)，很少‘種植’土壤微生物組。但是如果這樣做，確實(shí)可以加快生態(tài)恢復(fù)。”

生態(tài)恢復(fù)已經(jīng)成為人類最緊迫的任務(wù)之一。為了減緩全球變暖，我們知道我們需要使經(jīng)濟(jì)去碳化，并開(kāi)始從大氣中清除碳——我們一直在通過(guò)實(shí)現(xiàn)負(fù)排放技術(shù)和植樹(shù)計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

但是直到最近，人們才將更多的注意力轉(zhuǎn)向了另一個(gè)潛在的碳捕獲工具：土壤。令人驚訝的是，陸地生態(tài)系統(tǒng)中80%的碳儲(chǔ)存在地下。根據(jù)國(guó)際倡議“千分之四”，土壤碳含量?jī)H需增加0.4%，就足以阻止大氣中二氧化碳的增加。

這就是為什么科學(xué)家們開(kāi)始改變對(duì)土壤的看法，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的這一關(guān)鍵部分開(kāi)展更多的研究。用進(jìn)化生物學(xué)家TobyKiers的話說(shuō)：“我們正在顛覆‘植物中心主義’。你在地面上看到的只是地面下發(fā)生的事情的一小部分。”

正如我們的腸道微生物參與消化食物、抵抗感染，甚至使我們快樂(lè)一樣，我們現(xiàn)在了解到土壤中的微生物對(duì)植物起著類似的主導(dǎo)作用。歡迎來(lái)到土壤微生物組的奇妙世界。

夏威夷發(fā)芽的輻射松

菌根真菌的核心作用

大多數(shù)人都認(rèn)為樹(shù)木或植物的根系會(huì)鉆入地下并吸走養(yǎng)分，但這并不是真正發(fā)生的事情。相反，大多數(shù)植物的根部與菌根真菌建立了共生關(guān)系，正是這些真菌鉆入土壤，分解土壤中的養(yǎng)分，并將其運(yùn)回給植物。但是真菌并不是免費(fèi)的：它們的報(bào)酬是植物光合作用產(chǎn)生的碳，真菌利用這些碳進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。

Kiers說(shuō)：“真菌非常依賴植物的碳，你可能會(huì)覺(jué)得這將導(dǎo)致植物的能量不平衡。但我不確定。真菌可以控制植物的養(yǎng)分吸收機(jī)制，并使植物完全依賴于它們的養(yǎng)分。”

她說(shuō)：“我們需要專注于了解這些動(dòng)態(tài)，不要再把這些菌根視為被動(dòng)的管道，而應(yīng)該把它們更多地視為發(fā)號(hào)施令的主角。”

Kiers和她的團(tuán)隊(duì)研究了菌根真菌和它們的植物宿主之間的“貿(mào)易”關(guān)系，并注意到某些真菌的“交易”要比其他真菌更好：它們對(duì)磷和氮的給予相對(duì)吝嗇，但卻從植物中獲取更多的碳。如果科學(xué)家們能夠找到完美的“經(jīng)濟(jì)”條件，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)變得更加“昂貴”，那么地下碳儲(chǔ)量增加的潛力是巨大的。

但Kiers很謹(jǐn)慎：“我并不是那類建議我們應(yīng)該修補(bǔ)自然的人，但你可以想象，這個(gè)系統(tǒng)可以以這樣一種方式被優(yōu)化，植物更慷慨地釋放它們的碳，這樣更多的碳可以被封存于土壤中。”

目前，世界各地的叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)每年吸收約50億噸碳，相當(dāng)于歐盟和俄羅斯每年的碳排放量總和。對(duì)Kiers來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)是顯而易見(jiàn)的：“我所在領(lǐng)域的面臨的最大問(wèn)題是：我們能把它擴(kuò)大到什么規(guī)模?”

僅僅在一湯匙的森林土壤中，就有數(shù)百萬(wàn)的菌絲，它們形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜得近乎深不可測(cè)。由于全球菌根網(wǎng)絡(luò)的龐大規(guī)模，即使土壤碳變化的幅度很小，可能也會(huì)產(chǎn)生巨大的整體影響。

地下微生物群落

將耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉睒s的荒原

我們?cè)黾油寥乐械奶己康钠渲幸粋€(gè)方法可能是將農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯只蚧脑?。但是?dāng)一塊田地被耕種了幾十年后，這種轉(zhuǎn)變需要的不僅僅是一把種子。還記得林務(wù)人員試圖將輻射松移植到南半球時(shí)的情況嗎?不同的植物與不同的真菌之間會(huì)形成共生關(guān)系。

在耕地上重新造林的問(wèn)題不一定是土地枯竭。在歐洲、中國(guó)和美國(guó)的大部分地區(qū)，大量使用化肥意味著土壤中的養(yǎng)分往往比較豐富。然而，幾十年的耕作會(huì)破壞至關(guān)重要的地下菌絲網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果就變成這些被破壞的菌根網(wǎng)絡(luò)只能支持早期的演替植物：雜草。

雜草并不能夠促進(jìn)生物多樣性或增加碳捕獲。而晚期演替植物，如那些在成熟的荒原或森林中發(fā)現(xiàn)的植物，才與豐富的物種和更大的碳儲(chǔ)存有關(guān)。隨著時(shí)間的推移，原農(nóng)業(yè)用地上的真菌和植物群落將不斷演替。隨著地下真菌的多樣化，地上的物種也會(huì)多樣化，我們會(huì)看到農(nóng)田慢慢地從雜草叢生的灌叢地過(guò)渡到成熟的荒原或森林。

然而，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院從事可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的生態(tài)學(xué)家JasperWubs解釋說(shuō)，這種演替可能需要30年或更長(zhǎng)時(shí)間。早在他開(kāi)始研究這一主題時(shí)，Wubs就想知道是否有辦法通過(guò)引入更成熟的景觀中的真菌，來(lái)加速?gòu)母氐椒睒s的生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡。“我們想，如果我們把晚期的微生物接種到土壤中，縮短整個(gè)過(guò)程會(huì)怎么樣?”

2006年，Wubs和他的合作者在荷蘭以前的可耕地上開(kāi)展了一項(xiàng)田間實(shí)驗(yàn)。他們從其他的土地上收集了兩個(gè)不同的土壤樣本：一個(gè)來(lái)自有幾百年歷史的干燥荒原，另一個(gè)來(lái)自24年前恢復(fù)的草地。該小組在田間總共在四塊不同的土地鋪上了一層薄薄的成熟的微生物接種劑。

六年后，Wubs回到這里，發(fā)現(xiàn)接種不僅加速了生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，跳過(guò)了雜草叢生的階段，而且還根據(jù)微生物接種劑的來(lái)源，引導(dǎo)植物群落向石楠荒原或草原的方向發(fā)展。

“這些實(shí)驗(yàn)表明，微生物有助于決定不同物種的適應(yīng)性和它們的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力，而這決定了植被會(huì)發(fā)展成什么樣子，”Wubs說(shuō)，“你不能真的跳過(guò)三十年，但你會(huì)相當(dāng)快地到達(dá)一個(gè)更有趣的演替階段。”

根據(jù)Wubs的2016年研究，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的八年后拍攝了兩個(gè)處理地的照片。

共生伙伴關(guān)系的重要性

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Crowther實(shí)驗(yàn)室的微生物、菌根和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家ColinAverill受到了Pinusradiata故事的啟發(fā)。在目前正在送審的一項(xiàng)研究中，Crowther及其團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)百個(gè)森林監(jiān)測(cè)地的真菌群落進(jìn)行了DNA測(cè)序，以解讀土壤微生物組對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)。

Averill總結(jié)了所發(fā)生的一切。“我們確定了與樹(shù)木生長(zhǎng)速度增加三倍有關(guān)的真菌，并且將這些真菌帶回實(shí)驗(yàn)室，在幼苗中重現(xiàn)了這些影響。”

現(xiàn)在，Averill正在兩個(gè)隨機(jī)對(duì)照的重新造林試驗(yàn)中應(yīng)用這些知識(shí)：一個(gè)是在威爾士，與碳社區(qū)合作，另一個(gè)是在墨西哥尤卡坦半島，與植樹(shù)組織PlantforthePlanet合作。從本質(zhì)上講，這項(xiàng)新的研究正在研究真菌群落的構(gòu)成如何影響整個(gè)森林的功能。

威爾士的九公頃田間實(shí)驗(yàn)是幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直在放牧的牧場(chǎng)。“我們從DNA測(cè)序中得知，這些農(nóng)業(yè)景觀中的微生物群落與完整的森林中的微生物群落完全不同，”Averill解釋道，“有很多理由相信，積極為這片土地接種土壤微生物群落可能真的會(huì)促進(jìn)森林的恢復(fù)。”

“你可以把它看作是一個(gè)隨機(jī)對(duì)照的藥物試驗(yàn)，”他說(shuō)，“一半的樹(shù)木從我們種植它們的地點(diǎn)獲得‘安慰劑’土壤，一半的樹(shù)木從附近的古林地獲得‘治療劑’土壤。”

這些樹(shù)木今年春天在威爾士種植，研究小組將監(jiān)測(cè)樹(shù)木的生長(zhǎng)，碳捕獲，以及最重要的——樹(shù)木的成活率。例如，作為總理AbiyAhmed“綠色遺產(chǎn)”項(xiàng)目的一部分，埃塞俄比亞公民在一天之內(nèi)種植了3.53億棵樹(shù)苗，并因此登上了各大媒體的頭條。但是，如果幼苗因?yàn)橥寥镭汃ざ荒茏聣殉砷L(zhǎng)，那么所有的辛勤工作都可能白費(fèi)。

“有充分的理由相信，不成功的植樹(shù)項(xiàng)目可能是因?yàn)槿鄙傥⑸锘锇?，特別是當(dāng)樹(shù)木被種植在退化的、前農(nóng)業(yè)景觀中時(shí)，”Averill解釋說(shuō)，“許多樹(shù)木如果缺少共生伙伴，根本無(wú)法在野外生長(zhǎng)。”

Glyncornel地區(qū)的草原真菌

我們不知道我們正在失去什么

世界各地的科學(xué)家們現(xiàn)在正急于探索土壤微生物組的生物多樣性，找到能賦予植物非凡力量的微生物。例如，在2018年，德克薩斯大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)給柳枝稷接種了更多的抗壓真菌，使植物本身更耐旱。

“真菌真的很有價(jià)值——我們幾乎所有的抗生素都來(lái)自土壤真菌，”Averill說(shuō)，“但是它們也代表著不同的生物體解決問(wèn)題的方式，代表了巨大的生物多樣性。”

隨著新發(fā)現(xiàn)的不斷出現(xiàn)，越來(lái)越明顯的是，我們忽視土壤微生物組會(huì)給我們帶來(lái)危險(xiǎn)。人類活動(dòng)已經(jīng)對(duì)我們的地下碳匯產(chǎn)生了巨大影響。2018年的一項(xiàng)研究估計(jì)，放牧和耕地導(dǎo)致我們的土壤比沒(méi)有農(nóng)業(yè)的世界少儲(chǔ)存1330億噸碳。

“如果土壤溫度上升會(huì)怎樣?”Kiers問(wèn)道，“也許真菌可以生存，但如果菌根網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)流下降，哪怕是輕微的，那么也將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大的上游影響。”

但是，如果科學(xué)家和農(nóng)民能夠合作，將養(yǎng)分流的平衡轉(zhuǎn)向有利于碳儲(chǔ)存，也許我們可以減緩氣候變化的影響。“我們幾乎從未談?wù)撨^(guò)保護(hù)微生物群落，但它們是任何生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)巨大組成部分，”Averill說(shuō)，“我們真的不知道我們正在失去什么。”

一個(gè)迅速變暖的星球正面臨這樣的危機(jī)，我們迫切需要解決這個(gè)問(wèn)題，而答案可能就在我們腳下的土地。