土壤微生物影响土壤健康的作用机制研究进展

土壤健康是农业可持续发展的中心主题。土壤微生物参与土壤生态功能、环境功能和免疫功能协同驱动土壤生命系统运转，是维持土壤健康的核心与关键。了解不同微生物介导的土壤健康调控机制对有效利用这些核心微生物维持和改善土壤健康至关重要。本文围绕微生物参与调节土壤碳循环、养分循环，改变土壤结构、抑制植物病虫害、污染控制等主要生物过程系统梳理了微生物在调控土壤健康中的重要作用，以及微生物作为土壤健康的敏感指标对土壤健康的指示与预警作用。强调未来应加强驱动土壤健康特定功能以及多个生物过程的核心微生物组信息数据库挖掘、构建与生产应用研究，为定向利用微生物改善农业土壤生态系统功能、维持土壤健康以及保障土壤可持续发展提供科学依据。     

旱区土壤微生物组与土壤健康评价

土壤健康在维持粮食生产、动植物和人类健康方面具有重要作用，是实现农业可持续发展的根本。土壤微生物作为土壤中最具丰富性和多样性的有机生物体，包含细菌、真菌、原生生物和病毒。它们驱动着碳、氮、磷、硫等元素循环过程，并与植物初级生产力和土壤健康息息相关。旱区约占全球陆地表面积的41%，维系了全球约38%以上的人口。西北干旱半干旱区是我国的重要粮食生产后备区，由于其土壤生态系统的复杂性、脆弱性和敏感性导致该地区土壤健康状况相关研究仍缺乏。本文围绕微生物在土壤健康相关生态系统服务如调控作物生长、消减连作障碍、改善水体质量、维持人类健康、缓解气候变化影响和促进碳固存中的贡献，揭示了土壤微生物在维持土壤健康中的关键作用，归纳了土壤微生物作为土壤健康评价指标的发展历程和研究进展。同时介绍了旱区土壤微生物自身特征并总结其对于水分胁迫的响应，归纳了旱区土壤健康研究进展。最后对土壤微生物组与旱区土壤健康研究进行了展望，以期为利用土壤微生物资源维持和改善旱区土壤健康状况提供科学指导。     

城乡复合生态系统土壤微生物群落特征及功能差异

土壤微生物在陆地生态系统多个过程中发挥着重要作用,而城市化过程使得城市及其周边地区土地利用发生剧烈变化,形成了异质性环境梯度,直接或间接地影响了土壤微生物群落的组成和功能,进而影响了其承载的生态系统服务。本文综述了城乡复合生态系统不同景观单元土壤微生物群落的组成特征、主要影响因素及其功能差异,发现城市化对土地利用的改变驱动了土壤微生物群落的组成、结构和功能差异,土地利用、土壤污染物、植被覆盖、土壤性质等因素共同影响土壤微生物群落,并且在不同景观中影响土壤微生物的主导因素有所不同。进一步探讨了土壤微生物的生态服务功能,并分析了不同景观中土壤微生物功能存在的差异性。今后需进一步解析社会—经济—自然复合生态系统格局特征对土壤微生物的影响,揭示城乡复合生态系统不同功能区土壤微生物对土壤生态服务的产生和维持机制,明确变化环境下土壤微生物对土壤安全和人类健康的维持机制,以提升土壤生态服务功能、维护城乡土壤安全和人居环境健康。     

基于生态系统服务功能视角的县域尺度土壤健康评价

土壤健康与粮食安全和农业可持续绿色发展息息相关,探索构建土壤健康评价体系,了解和定义土壤的生态系统服务功能是关键。本文根据土壤健康的内涵,从土壤生态系统服务功能视角,学习生态系统级联演化过程,采用逆向思维,在充分考虑"生态系统服务-功能-特性-质量维度-指标-健康"关系基础上,构建了基于土壤的肥力质量、环境质量和弹性质量三个维度的土壤健康评价指标体系,并以河南省温县为例,对其进行了验证。结果表明,温县土壤健康状况整体较好,健康土壤占74.94%,仅25.06%为亚健康;土壤健康等别具有明显的地域分异特征,以青峰岭为界,北部土壤本身肥力高,环境清洁,自我调节和恢复能力强,应继续保持良好的耕种行为,维持健康水平;青峰岭以南的大部分区域耕地应采取必要措施改善土壤健康状况。文章建立的评价体系与方法对开展县域尺度耕地土壤健康评价有借鉴意义,它可清晰地展示土壤的健康状况,为土壤可持续管理模式和对策的选取与构建提供参考。     

土壤质量生物学指标研究进展

本文对近年土壤微生物、土壤酶活性和土壤动物等土壤质量生物学指标研究成果进行了综合评述。土壤微生物是土壤有机组分和生态系统中最活跃的部分,被认为是最敏感的土壤质量生物学指标:微生物生物量代表参与调控土壤中能量和养分循环及有机物质转化所对应微生物的数量,但须结合多样性研究以弥补其无法反映土壤微生物组成和区系变化的缺陷;微生物群落组成和多样性动态反映土壤中生物类群的多变性和土壤质量在微生物数量和功能上的差异;土壤微生物活性体现在土壤微生物商、微生物呼吸和代谢商等方面,应考虑生物量大小与微生物种群活性间的相关关系以反映微生物种群内的差异。土壤酶活性具有极高时效性,在较短时间内就能反映出土壤质量的变化。土壤动物通常以种类的组成和数量,土壤动物区系的相对丰度、多样性或活性作为评价土壤生物质量的敏感指标。与土壤理化指标相比,土壤生物学指标更能对土壤质量的变化做出灵敏迅速的响应,因而被广泛地用于评价土壤质量。     

贵州茂兰喀斯特森林土壤微生物活性的研究

通过研究不同植被类型下土壤微生物区系、土壤酶活性和土壤生化作用强度 ,分析了贵州茂兰国家级自然保护区喀斯特森林演替过程中土壤微生物活性的变化。结果表明 :随着喀斯特森林退化程度的加剧 ,土壤微生物总数下降、各主要生理类群数量均呈下降趋势 ,土壤酶活性减弱 ,土壤生化作用强度降低 ,对环境反应敏感 ,可作为反映森林生态系统的生物学指标。土壤微生物和酶活性是表征喀斯特森林生态功能的重要特征之一     

土壤微生物多样性的科学内涵及其生态服务功能

土壤微生物多样性是指土壤生态系统中所有的微生物种类、它们拥有的基因以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度,当前研究主要集中在物种多样性、遗传多样性、结构多样性及功能多样性等4个方面。土壤微生物多样性作为全球性研究迄今仅有10余年时间,但已呈现对象广、内容多、水平宽、方法新等特点,特别是分子生物学技术在很大程度上决定并体现了其研究水平和发展进程。然而,如何进一步改进土壤微生物的培养技能、加强土壤宏基因组学分析与应用、耦合土壤微生物多样性与生态功能、揭示土壤微域结构的影响机制是土壤微生物多样性研究的4个关键科学问题。当然,土壤微生物多样性的生态系统服务功能是其根本价值所在,主要包括有机物分解、物质循环和生态安全调控等3个方面。今后,土壤微生物多样性研究应紧紧围绕其与土壤生物过程、生态服务功能三者之间的联系,着重建立土壤微生物多样性的研究指标和方法体系,进而阐明人类生产活动影响土壤微生物多样性及其生态服务功能的土壤生物过程。     

农田土壤生态系统多功能性研究进展

健康土壤培育是耕地产能提升的先决条件,也是应对粮食安全和环境保护挑战,保障土壤可持续利用,实现农业绿色发展和构建生命共同体的基础。健康土壤培育的核心是实现土壤生态系统多功能性。在生态文明建设的新时代,土壤生态系统多功能性评价、培育过程及机制研究已成为全球土壤健康行动的焦点和前沿。本文系统梳理了土壤功能、土壤生态系统服务与土壤生态系统多功能性的概念,讨论了土壤生物多样性对多功能性的影响、土壤功能间的协同与权衡关系,总结了土壤功能评价及量化的方法,并提出了突破单一追求粮食高产目标,发展基于多功能性综合调控的农田健康土壤培育新思路。提出在不同层级上提高土壤多功能性的途径：在全国尺度调整土地利用方式及农业结构、区域尺度协调资源配置、景观尺度构建农业设施建设与景观格局、田块尺度优化田间土壤管理技术,全面提升土壤健康和多功能性。未来需要通过多学科交叉深入探索不同时空尺度的土壤多功能性形成与维持机理,与现代科技相结合,完善土壤功能管理相关政策与落地方案,强化土壤多功能性在可持续环境政策与管理中的多维作用,为山水林田湖草生命共同体协调发展和“碳达峰、碳中和”国家战略的实施提供重要支撑。     

土壤动物与土壤健康

土壤动物与土壤健康息息相关,土壤动物多样性和功能能够灵敏反映人类活动和气候变化引起的土壤扰动。同时,土壤动物还通过与生物和非生物组分间的相互作用对地上生态系统产生反馈作用。当前土壤动物在土壤健康评价体系中的应用相对较少,主要集中在土壤线虫、节肢动物和蚯蚓等类群,仍缺乏基于土壤动物的系统性评价指标。因此,本文围绕土壤动物在指示土壤健康方面的潜力,系统总结了现有基于土壤动物的土壤健康评价指标,强调未来应建立和完善土壤动物基因组信息数据库,挖掘土壤动物的功能性状,加强土壤食物网结构和生态功能的研究,建立集成土壤动物物种多样性、功能性状和土壤食物网的指标体系,从而促进土壤健康和生态系统的可持续发展。     

土壤微生物群落结构的化学估价方法

由于认识到微生物在整个土壤生态系统中的重要功能，就促使人们不断地用最新垂头丧气估价土壤微生物群落结构和多样性。目前除了使用标志化合物外，利用生物细胞膜中磷酯类化合物的脂肪酸组成与土壤中可提取脱氧核糖核酸组成的复杂性作为指纹来估价土壤中微生物群落结构和多样性是两种最常用的方法。     

盐碱地及其改良过程中土壤微生物生态特征研究进展

盐碱地由于土壤质量差、作物产量低,在全球分布广泛,已成为土壤退化中的世界性难题,土壤微生物可作为评价盐碱地土壤质量变化的一个重要指标。本文在系统分析、归纳总结国内外相关领域研究成果的基础上,综述了盐碱地及其改良过程中土壤微生物生态特征的研究进展,主要包括:盐碱地土壤微生物的种类和数量,土壤酶活性特征,微生物在盐碱地改良中的作用,盐碱地改良对土壤微生物的影响,以及用分子生态学手段研究盐碱地土壤微生物的进展情况等。在此基础上,提出了盐碱地土壤微生物未来应重点研究的几个方向。     

耕地和草地土壤健康研究进展与展望

土壤是地球关键带的重要组成部分，为维持和保障农业生产、植物生长、动物栖息、生物多样性和环境质量提供了基本服务，是链接整个自然生态系统的核心要素之一。增强土壤健康对实现可持续发展目标至关重要，近年来在全世界范围内皆受到越来越多的重视和更广泛的研究。耕地和草地是当前地球上最大的土地利用类型，分别约占地球上无冰土地12%和26%。同时,“田”和“草”是“山水林田湖草生命共同体”中的重要组成部分，维护耕地和草地两种农牧地类型土壤健康对于维持整个自然生态系统健康和实现可持续发展具有重要意义。近二十年来，围绕这两种土地利用类型土壤健康的相关研究呈现兴起态势。中国在此研究领域虽比较活跃，但研究成果的影响力还有待加强，且还未从国家层面建立一个统一的土壤健康评估体系。本文首先厘清了土壤健康内涵的演变，并聚焦于以上两个典型的农牧地类型，归纳了当前国内外相关研究的热点内容；其次，梳理了当前国内外土壤健康评估研究工作现状,同时总结了中国在土壤健康维护方面已有的工作基础；最后，对我国未来土壤健康评估研究提出了建议和展望，以期为改善耕地和草地土壤功能、维护我国土壤健康提供依据和方法。     

Describing soil quality with aggregate index for Msange irrigation scheme of Tanzania

Soil quality is an important and integral aspect of soil health which is defined as the continued capacity of the soil to function as a living system within the ecosystem and land use boundaries. It refers to the capacity of soil to supply nutrients, maintain suitable biotic habitat and resist degradation. This study focuses on describing the soil quality through aggregate index termed as Soil Quality Index (SQI ). The assessment of soil quality involves physical and chemical soil parameters along with the local climatic conditions and the experts’ opinion. The proposed aggregation method utilizes three scoring functions; ‘more is better’, ‘less is better’ and ‘optimum’ for which the score is interpreted either as very low, low, medium, high or very high. The methodology has been applied to Msange irrigation scheme which falls under semi‐arid climate conditions of Tanzania. The results show that the average SQI in the Msange irrigation scheme is 0.565 for the silt loam soil and can be classified as medium quality. In order to improve the soil quality and hence the land productivity, one should improve the organic matter contents, available water and nutrients availability to the soil. It is hoped that this study will be a baseline study on soil quality evaluation for effective agricultural practices.     

土壤质量的酶学指标研究

土壤质量日益衰退,寻找能够准确标示其变化的敏感指标非常重要。土壤酶几乎参与了土壤中全部的生物化学反应,与土壤中多种生态过程密切相关。土壤酶的敏感性、专一性和综合性等特点使其可以作为一个反映土壤质量的生物学指标。本文在概述了土壤酶作为土壤质量指标可行性的基础上,综述了土壤肥力质量、环境质量等的土壤酶活性和酶动力学指标的研究,并对今后相关研究提出了几点建议。     

Soil loss estimation using rusle model to prioritize erosion control in KELANI river basin in Sri Lanka

Soil erosion contributes negatively to agricultural production, quality of source water for drinking, ecosystem health in land and aquatic environments, and aesthetic value of landscapes. Approaches to understand the spatial variability of erosion severity are important for improving landuse management. This study uses the Kelani river basin in Sri Lanka as the study area to assess erosion severity using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) model supported by a GIS system. Erosion severity across the river basin was estimated using RUSLE, a Digital Elevation Model (15 × 15 m), twenty years rainfall data at 14 rain gauge stations across the basin, landuse and land cover, and soil maps and cropping factors. The estimated average annual soil loss in Kelani river basin varied from zero to 103.7 t ha-1 yr⁻¹, with a mean annual soil loss estimated at 10.9 t ha⁻¹ yr⁻¹. About 70% of the river basin area was identified with low to moderate erosion severity (<12 t ha−1 yr⁻¹) indicating that erosion control measures are urgently needed to ensure a sustainable ecosystem in the Kelani river basin, which in turn, is connected with the quality of life of over 5 million people. Use of this severity information developed with RUSLE along with its individual parameters can help to design landuse management practices. This effort can be further refined by analyzing RUSLE results along with Kelani river sub-basins level real time erosion estimations as a monitoring measure for conservation practices.     

Soil quality attributes of conservation management regimes in a semi-arid region of south western Spain

Soil quality is essential for plant growth and terrestrial ecosystem maintenance. Although soil properties can be influenced by the agricultural production system, this influence has seldom been studied under semi-arid Mediterranean conditions. We analyzed the effect of the management system on soil physical and chemical parameters and soil microbial communities over three consecutive years under different conventional and conservation management regimes: conventional tillage (CT), direct seeding (DS), direct seeding with a winter crop cover (DSC), and long-term conservation management after nine consecutive years of direct seeding with winter cover (DSC^LT). The study was conducted on a maize (Zea mays L.) crop under irrigation in south western Spain. An improvement of the physical, chemical and biological parameters of the DS and DSC soils with respect to the CT soil was observed after two years management. Soil water content increased around 30% during the three years in the DS and DSC soils; organic C, nitrogen, and aggregate stability increased after the second year; total culturable microorganisms were twice as numerous in DSC^LT as in the CT soil; and soil penetration resistance was 50% less in all soils under any of the conservation management regimes. Hence, there was a major improvement in soil quality related to a potential increase of crop yields, and a reduced environmental impact, after short-term as well as after long-term conservation management.     

沙漠腹地人工绿地土壤微生物变异与土壤环境因子关系的研究

通过野外采样与室内分析,研究了不同定植年限下塔里木沙漠公路防护林人工绿地土壤微生物的变异规律及其与土壤物理和化学因子间的关系。结果表明:随林龄的增加,土壤微生物数量明显增加,土壤养分含量有所提高,土壤肥力状况明显改善;在土壤微生物的区系组成中,细菌为优势种,占微生物总数的80%以上,放线菌次之,而真菌最少,不到微生物总数的0.1%;土壤微生物数量受土壤环境因子的影响,其中土壤容重、总孔隙度、含水量、有机质和全氮、全磷、全钾及速效氮、速效磷、速效钾含量与细菌、放线菌和真菌的数量均存在极显著相关关系;防护林建设后土壤颗粒逐渐细化。说明防护林的定植促进了咸水灌溉条件下风沙土的发育,土壤质量提高,利于植物的生长,塔里木沙漠公路防护林防风固沙效益明显。