科研进展

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亮文解读 | 健康土壤重要组成:土壤多样性&作物多样化

发布时间:2021-07-12 发布人:唐静月 浏览次数:1890

Soil biodiversity and crop diversification are vital components of healthy soils and agricultural sustainability

 

· FASE文章导读 ·

作者:Junling ZHANG(1),  Marcel G. A. VAN DER HEIJDEN(2,3),  Fusuo ZHANG(1),  S. Franz BENDER(2,3)

通讯作者: Franz BENDER

E-mail franz.bender@agroscope.admin.ch

1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

2. Plant Soil Interactions, Division Agroecology and Environment, Agroscope, Reckenholzstrasse 191, CH-8046, Zürich, Switzerland

3. Department of Plant and Microbial Biology, University of Zürich, Zollikerstrasse 107, CH-8008, Zürich, Switzerland
 

  Cite this article :  

Junling ZHANG, Marcel G. A. VAN DER HEIJDEN, Fusuo ZHANG, S. Franz BENDER. Soil biodiversity and crop diversification are vital components of healthy soils and agricultural sustainability. Front. Agr. Sci. Eng., 2020, 7(3): 236‒242 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2020336

 

   作者解读完整视频:

https://www.koushare.com/video/videodetail/13355

 

▎文章内容

       世界人口的快速增长给农业生产带来了巨大的压力,必须生产足够多的营养食品来满足日益增长的人口需求。据预测,到2050年,世界人口将增加50%,粮食需求将增加一倍。同时,由于气候变化、极端天气以及城市化扩张给农业生产带来的巨大压力,粮食需求压力进一步加剧。集约化农业需转型为可同时保证全球粮食安全和环境健康的可持续性农业。2017年,中国政府提出将农业绿色发展(AGD)作为“国家可持续发展战略;追求绿色发展”,强调发展更可持续的农业、更绿色的生态环境和食品工业。为了实现AGD的目标,缓解集约化农业生产带来的负面影响,必须减少化肥和农用化学品等的过度投入,提高生态系统内部调节功能(图1)。生态集约化农业是实现这些目标的战略选择,其作用机理是通过提高生物多样性,减少外部投入,增强内部的物质循环过程,提升土壤健康,提高生态系统服务。

 
图1. 可持续种植系统的概念。可持续种植系统将自然生态系统的特点:生物多样性高、内部循环快、对外部干扰抵抗能力较强,对外部投入品需求较少,对外部环境干扰较小。
 

       土壤是地球上生物多样性最丰富的栖息地之一。植物根系、根际微生物群和土壤微生物群以多种方式相互作用,在养分利用率、防治病虫害、储存碳、改善土壤结构和蓄水能力等发挥重要的作用。土壤健康是指土壤在生态系统以及土地利用范围内作为重要生命系统发挥作用的能力,以维持植物和动物的生产力,维持或提高水和空气质量,促进植物和动物的健康。了解土壤生物的组成、特性和功能,以及它们的生态相互作用,对于创造和维持健康的土壤至关重要。

 

       农业管理措施如耕作、施肥和杀虫剂的施用会导致土壤生物多样性减少。大规模、集约化的单一栽培基因型一致的作物会导致农业生态系统中病虫害的爆发,威胁粮食安全。在多个层面(包括土壤)上提高生物多样性可减少病虫害的出现和以及病虫害造成的损害。调控土壤微生物群落(例如,通过育种培育具有特定植物性状的品种或引入有益的根际微生物物种或群落),可以通过微生物介导抑制病原体、改善植物免疫系统,减少植物病害的发生。

       土壤群落复杂多样,具有多种功能,而改变土壤微生物群落组成和特定物种的缺失可能会导致某些功能的丧失。在较低的土壤生物多样性水平,土壤生物多样性与生态系统功能的关系更为密切,群落组成对土壤生态系统功能的影响高于物种丰富度。核心功能微生物可满足农业生态系统内部的调节过程。然而,由于环境条件不断发生变化、极端天气或其他干扰事件增多,需要增加生物多样性和功能冗余,以确保生物多样性保险效应,提高生物多样性支持的生态系统恢复能力。
 

       土壤生态工程是实现农业可持续的重要手段,在不同层次上调控土壤生物群落,包括对土壤整体生物多样性和特定微生物的调控,或对生态系统服务有益的微生物群落的调控。调控方法涉及土地管理、作物选择、作物轮作和农业生态系统的时空设计(图2)。提高土壤生物多样性和作物多样化是保证农业可持续的重要途径。一些策略如保护性农业、多样化种植等可通过加强生态位的互补性,增强土壤生物多样性以及生态系统功能。许多微生物,如丛枝菌根真菌、固氮细菌、木霉等能够促进植物生长发育。为了充分发挥土壤生态工程的潜力,需要进一步加深对作物招募微生物的机理,以及微生物与作物之间的信号交流的机制研究。表1总结了农民直接适用的提高农业可持续性的具体建议,以及对未来研究和需要进一步关注的新应用策略的建议。这些措施往往会增加农民的短期成本,而收益可能只有在长期才能实现。在国家层面上,需采取激励措施向种植户提供奖励,以确保他们在转向更可持续的管理实践时不会面临经济困难。在实施科技创新时,需考虑到社会经济方面的因素。
 

图2. 土壤生态工程的概念旨在最大限度地提高作物系统中土壤生物多样性驱动的生态系统服务功能。间接干预措施是指创造有利于土壤生物生存满足其代谢的环境;直接干预是针对性的方式直接调节特定的土壤微生物类群。
 

表1. 高产的同时维持农业可持续性的一些具体措施建议

 
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https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2020336
 

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