微生物如何用于评估土壤健康

张思澄土壤观察 2022-07-27

转载自土壤健康与耕地可持续利用公号（2021年8月13日）

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原名：How microbes can, and cannot, be used to assess soil health

译名：微生物如何用于评估土壤健康

原文地址：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108111

发表期刊：Soil Biology and Biochemistry

发表年份：2021年

通讯作者：Noah Fierer

通讯作者单位：University of Colorado Boulder

亮点

1、需要更好地将土壤微生物纳入土壤健康评估。

2、预先存在的土壤健康指标往往缺乏明确的可解释性。

3、有一些更有前景的策略可以更有效地利用微生物来推断土壤健康状况。

文章简介

健康的土壤对生态系统、经济和人口的健康至关重要。因此，人们普遍认为，土壤健康对于评估和作为帮助指导管理策略的工具而言，量化很重要。不清楚的是应该如何实际测量土壤健康，特别是考虑到土壤健康不仅仅是土壤物理和化学特性的产物。鉴于它们对土壤健康的许多方面的公认重要性，微生物和微生物过程通常被用作土壤健康的指标，全球范围内常规使用的一系列不同的基于微生物的指标。不幸的是，研究认为许多这些预先存在的微生物测量值不容易解释，并且不一定能提供关于土壤健康状况的可信推断。在这里，研究回顾了用于评估或监测土壤健康的微生物指数，并讨论了与其使用相关的一些更广泛的问题。研究提供建议，以更有效地指导和改进如何使用微生物信息对土壤健康进行相关且可操作的评估。

研究过程

1、当我们谈论土壤“健康”时，我们指的是什么？

土壤健康可以从概念上和操作上进行定义。作为一个概念定义，美国农业部自然资源保护局提供：“土壤健康，也称为土壤质量，被定义为土壤作为重要生命活动的持续能力维持植物、动物和人类的生态系统。”该定义试图定义什么是健康的土壤，但没有定义如何测量它。然而，美国农业部-NRCS还通过提供土壤健康指标的关键列表，包括物理、化学和生物特性以及一个评估这些指标的正在进行的项目，提供了更具操作性的定义。

没有“最佳”土壤，也没有一套通用的理想土壤特性。尽管在尝试评估土壤健康时，某些土壤指标可能总是相关的，包括土壤质地、容重、pH值和有机碳浓度，但它们的解释将始终高度依赖于上下文。例如，低pH值可能不适合某些作物的生产，但对于其他理想的植被类型或作物种类（如蓝莓）可能是最佳的。土壤的功能将始终取决于所有六个土壤形成因素：气候、有机体、地形、母质、时间和人类活动。

土壤生物学的测量类似于土壤物理和化学特性，因为对什么是“好”水平的解释将因环境而异。然而，土壤生物指标的不同之处在于，作为衡量相关指标的因素也往往具有高度的特定背景。换句话说，选择测量哪些微生物指标来推断土壤健康将取决于所讨论的土壤或地点以及感兴趣的土壤健康的特定方面。建议基于思维方式的转变，从一套通用的土壤健康指标转向更细致的建议，即选择指标以满足特定的管理或政策目标。我们的目标是从农业和保护的角度强调哪些微生物信息可用于监测土壤健康——无论目标是最大限度地提高土壤碳固存能力还是提高长期作物产量。为如何根据一组共同的管理和政策目标选择微生物措施提供指导。

2、现有方法的局限性

2.1、微生物群落分析的潜在效用

微生物分析可以相当便宜、快速和高通量。每周可以在一个相当小的实验室中分析数百个样品，其成本与许多现有方法相当，甚至可能更便宜。例如，现在可以进行高通量DNA测序以评估细菌和真菌群落组成，每个样本的成本低于常用的Haney测试和DNA的改进测序技术将继续进一步降低这些分析成本。此外，虽然处理和分析这些数据仍然需要专业知识和培训，但生物信息学管道正变得更加用户友好和易于访问。

微生物群落随时间变化，但变化不大。变化非常缓慢的土壤特性对于监测土壤如何对管理实践的变化做出反应是没有用的。例如，土壤有机碳库很大，该库规模的年度变化通常很难检测到。同样，变化非常快的土壤特征通常效用有限，因为相隔几周收集样本可能会产生非常不同的结果。在测量可提取的NH4+或NO3-浓度时，这是一个问题，这些浓度会在数天到数周内发生明显变化。微生物群落可以被认为变化无常，但变化不大。群落可以随着季节到几年而变化，但DNA库通常不会在几天到几周内表现出很大的变化。这对于预测来自农田的N2O和CH4这两种重要的温室气体排放的努力可能很重要。

2.2、微生物群落高度多样化，这种多样性可用于表征土壤环境的许多方面

土壤微生物群落的高度多样性通常被认为是一个令人生畏的分析问题，因为单一土壤可以包含数千种不同的微生物分类群和功能基因，其中许多仍然没有得到很好的表征。然而，这种多样性也为探索土壤环境的许多不同方面提供了机会，就像卫星高光谱图像（可以测量地球上任何给定位置的数百种不同光谱）比简单的黑色和地球表面的白色照片。正如可以从高光谱图像中推断出叶片养分浓度一样，即使特定光谱与养分比率之间关系的具体机制尚未确定，我们也可以通过量化相对特定微生物分类群或基因的丰度，即使我们不一定知道为什么存在这种关系。最近的一项跨站点研究证明了这种方法的潜力，该研究使用土壤细菌群落组成的信息来预测与土壤质量相关的关键物理化学变量。

研究结果

1、方法问题会限制基于DNA的微生物指标的效用

基于DNA的微生物分析不是灵丹妙药，一些限制预先存在的微生物健康指标可解释性的问题也将困扰替代方法，除非这些指标经过仔细验证。还需要考虑基于 DNA 的微生物群落方法的一些特定方面。例如，即使方法上的细微差异也可能导致难以以一致的方式比较结果。同样，并非土壤中的所有DNA都完全来自“活性”微生物，“残余”DNA的存在可能会掩盖微生物数据和土壤条件之间的关系。最后，土壤微生物群落的复杂性和许多微生物数据集的多元性质可能使下游分析具有挑战性并且结果难以解释。

2、选择与感兴趣的土壤健康参数相匹配的微生物测试

与其只关注微生物群落的广泛分析，研究相信为特定土壤健康结果开发特定微生物指数将是最有效的。如果目标是限制土壤中硝酸盐的损失，测量已知对硝化和反硝化作用关键的分类群（或基因）的丰度将比试图表征细菌群落的整体多样性更有用。简单地进行更多测试以希望找到命中不会提供更多可操作的信息，并且会增加成本。例如，在医疗领域，根据专家对可能出现的问题的评估进行测试；在使用土壤健康的微生物测量时，建议采用相同的方法。

3、展示微生物测量如何产生可操作的信息

许多土壤微生物测量缺乏明确的、可操作的解释。例如，美国农业部的土壤健康测量建议承认微生物群落数据没有规范性解释，这需要这些数据作为土壤健康指标有用。美国农业部指南还承认，他们推荐的微生物活动的非基因组测量，包括短期C矿化率和酶活性，在解释方面存在不确定性。相比之下，土壤pH值数据可以提供非常具体的指导，以确定是否需要对田地施石灰以及应施用多少石灰以实现最佳作物生长同样，如果土壤磷生物有效性或土壤氧含量有可靠的微生物指标，则此类微生物信息可直接用于指导决策过程。为了使微生物土壤健康措施具有广泛的用途，它们需要具有明确的可解释性。

研究结论

显然需要开发和验证土壤健康的新微生物指标。研究认为，土壤健康的一些微生物指标目前没有得到很好的验证并且缺乏可解释性，但是微生物数据的可负担性和可用性的提高为提高这种可解释性和使这些措施更有用提供了巨大的潜力。在使用微生物作为土壤属性的生物指标方面，研究尚未认识到其效用是已经知道的土壤健康的重要组成部分，但难以直接测量。为了充分利用这种方法，研究需要对充分表征的土壤进行跨站点研究，以便可以开始确定哪些群落属性始终如一地提供跨时间和空间的土壤健康相关指数。研究相信公司、政府、非营利组织、农民和大学有很大的机会合作产生这些数据。这些努力将有助于指导新出现的指标的应用和解释，同时有助于减少潜在用户可能在效用有限的基于微生物的评估上花费的时间和金钱。

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