食物网与土壤健康

导  读

食物网通过（1）营养循环，（2）营养保留，（3）改善结构、渗透性和持水能力（4）抑制疾病，（5）污染物的降解和（6）生物多样性来影响土壤健康。一个健康的食物网带来很多良好的生态系统服务。

译者: 陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家）

作者：伊莱恩·英厄姆（Elaine R.Ingham）

原题：Soil Food Web

出处：https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/soils/health/biology/?cid=nrcs142p2_053865

 食物网间有差别吗？

四个生态系统中土壤生物的生物量

每个田地、森林或牧场都有一个独特的土壤食物网，其中包含特定比例的细菌、真菌和其他类别，并且每组生物体中都具有特定的复杂程度。这些差异是土壤、植被和气候因素以及土地管理实践的结果。

典型的食物网结构

食物网的“结构”是土壤系统中每组中生物的组成和相对数量。每种类型的生态系统都有其独特的食物网结构。食物网结构的某些功能包括：

    真菌与细菌的比例是系统类型的特征。草原和农业土壤通常具有以细菌为主的食物网-也就是说，大多数生物量（biomass）都是以细菌的形式存在的。高生产力的农业土壤中真菌和细菌生物量的比例往往接近1：1或更低。森林往往有以真菌为主的食物网。在落叶林中，真菌与细菌生物量的比例可以为5：1至10：1，而在针叶林中，真菌与细菌的生物量之比可以为100：1至1000：1。

    生物体反映其食物来源。例如，在细菌丰富的地方，原生动物很丰富。在细菌主导于真菌的地方，吃细菌的线虫比吃真菌的线虫要多。

    管理措施改变食物网。例如，在耕种减少的农业系统中，真菌与细菌的比例随时间增加，并且蚯蚓和节肢动物变得更丰富。

食物网如何测量？

土壤生物的典型数量

用于表征食物网的测量技术包括：

计数。生物群，如细菌、原生动物、节肢动物等；将以细菌、真菌的和掠食性线虫等亚类一并计算在内，并通过计算可以转化为生物质。

    直接计数-用肉眼或显微镜计数单个生物。可以计数所有生物，也可以仅计数吸收荧光染料的活性生物。

    平板计数-计算从土壤样品中生长的细菌或真菌菌落的数量。

测量活性水平。活性是通过测量土壤中产生的副产物（例如CO2）的量或大部分群落或特定生物群使用的物质（例如植物残留物或甲烷）的消失来确定的。

这些度量反映了群落可以完成的全部“工作”。总生物活性是所有生物体活性的总和，尽管在特定时间只有一部分具有活性。

    呼吸-测量二氧化碳的产生。这种方法无法区分哪些生物（植物、病原体或其他土壤生物）产生二氧化碳。

    硝化率-测量与铵转化为硝酸盐有关的物种的活性。

    分解速率-测量有机残留物或标准棉条消失的速度。

测量细胞成分。所有土壤生物的总生物量或群落的特定特征可以通过测量土壤生物的成分来推断，如下所示。

    生物量碳、氮或磷 - 测量活细胞中的营养物质含量，然后可将其用于估算生物体的总生物量。三氯甲烷熏蒸是用来估算所有土壤生物中碳或氮含量的常用方法。

    酶 - 测量活细胞中或附着在土壤上的酶。分析可用于估计潜在活性或表征生物群落。

    磷脂和其他脂质 - 提供了群落的“指纹”，并量化了真菌或放线菌等基团的生物量。

    DNA和RNA - 提供社区的“指纹”，并且可以检测特定物种或群体的存在。

什么是复杂性？

复杂的食物网

食物网的复杂性是土壤中物种数量和不同物种数量的一个因素。例如，具有十种细菌饲养线虫的土壤比具有十种包括细菌饲养线虫，真菌饲养线虫和掠食性线虫的线虫物种的土壤复杂。

复杂性部分可以通过食物网图（如下图所示）来确定，该图代表了古老的花旗松森林中的土壤。食物网图的每个框代表一个功能组的生物，在土壤系统中起相似的作用。能量传递由图中的箭头表示，并在一种生物吃掉另一种生物时发生。复杂的生态系统比简单的生态系统具有更多的功能组和更多的能量传递。

对于每个生态系统来说，在能量离开土壤系统之前转换能量的官能团的数量（和特征）是不同的。在花旗松系统中，能量可能会从生物体到生物体或在功能基团之间进行二十多次转移。相反，一个洞穴或低残留的耕作系统不太可能在土壤食物网图的右侧包括各种各样的高等捕食者。能量和营养将通过较少种类的生物循环。

土地管理实践可以改变土壤中功能组的数量或复杂性。集约化管理系统（例如农田）具有不同数量的功能组。作物的选择、耕作方式、残留管理、农药使用和灌溉改变了土壤生物的栖息地，从而改变了食物网的结构和复杂性。

复杂性的好处

土壤系统的生物复杂性会影响诸如养分循环、土壤结构形成、虫害循环和分解速率等过程。研究人员尚未定义在管理的生态系统中，对于这些土壤过程而言，最佳的食物网复杂度是多少以及哪种类型是最佳的。

营养循环。当生物消耗食物时，它们会产生更多自己的生物量，并释放废物。对作物生长而言最重要的废物是铵（NH4+）。铵和其他易于利用的营养素被包括植物根部在内的其他生物迅速吸收。当存在多种生物时，营养物质可能会在植物可以使用和不能使用的各种形式之间更快、更频繁地循环。

营养保持。除了使植物矿化或释放氮外，当植物生长不迅速时，土壤食物网还可以固定或保留氮。与无机硝酸盐（NO3-）和铵态氮（NH4+）相比，土壤有机质和生物质形式的氮的流动性较小，从根区流失的可能性较小。

改善结构、渗透性和持水能力。许多土壤生物参与土壤团聚体的形成和稳定性。细菌活性、有机物和黏土颗粒的化学性质负责从单个土壤颗粒中产生微团聚体。蚯蚓和节肢动物消耗少量的矿物质和有机物，并从肠道产生较大的粪便颗粒。这些粪便颗粒物成为土壤结构的一部分。真菌菌丝和根毛结合在一起，有助于稳定较大的聚集体。改善的团聚体稳定性以及蚯蚓和节肢动物的洞穴，增加了孔隙度，水的渗透性和持水能力。

抑制疾病。复杂的土壤食物网包含许多可与引起疾病的生物竞争的生物。这些竞争者可能会阻止土壤病原体在植物表面形成，阻止病原体获取食物，以病原体为食或产生对病原体有毒或抑制病原体的代谢产物。

污染物的降解。土壤的重要作用是净化水。复杂的食物网包括在多种环境条件下消耗（降解）多种污染物的生物。

生物多样性。食物网的复杂性越高，意味着生物多样性就越多。生物多样性是通过物种总数、这些物种的相对丰度以及生物体的功能团数量来衡量的。

管理与土壤健康

健康的土壤可有效支持植物生长，保护空气和水质，并确保人类和动物健康。土壤的物理结构、化学组成和生物成分共同决定了土壤执行这些服务的能力。

在每个健康的系统或流域中，土壤食物网对于主要的土壤功能至关重要，包括：

    维持生物活性、多样性和生产力；

    调节水和溶解性养分的流动；

    储存和循环养分和其他元素；和

    过滤、缓冲、降解、固定和解毒作为潜在污染物的有机和无机材料。

生物之间的相互作用增强了许多这些功能。

成功的土地管理需要采取保护所有资源的方法，包括土壤、水、空气、植物、动物和人类。许多管理策略会改变土壤生境和食物网，并改变土壤质量或土壤履行其功能的能力。改变土壤群落的复杂性和健康状况的一些做法的例子包括：

    与轮作2年的田地相比，轮作4种农作物的田地可能具有更多的食物来源（即根和表面残留物），因此可能具有更多类型的细菌、真菌和其他生物。

    与被草木水道、梯田或一排排栅栏的田地相比，一块干净的、平整的、没有植被的田地可能有更少的节肢动物栖息地。

    尽管杀虫剂对土壤生物的影响各不相同，但大量使用杀虫剂通常会降低食物网的复杂性。一个极端的例子是重复使用甲基溴，除少数几种细菌外，已观察到甲基溴可消除大多数土壤生物。

食物网和碳封存

可以选择土地管理措施，以增加作为土壤有机质的碳封存量，并减少释放到大气中的二氧化碳（一种温室气体）的数量。

当土壤食物网分解有机物质时，它会以二氧化碳的形式将碳释放到大气中，或将其转化为多种形式的土壤有机物。有机物的不稳定成分或活性成分在土壤中保留了数年。稳定形式存在于土壤中数十年或数百年。物理稳定的有机物在土壤生物体帮助形成的土壤团聚体中得到保护。湿润的有机物是稳定的，因为细菌和真菌已经帮助形成了太复杂而太大的分子，以至于土壤生物无法分解。

展望未来

食物网的功能对于植物生长和环境质量至关重要。良好的资源管理将把增强土壤食物网的战略纳入农场、牧场、森林或后院花园的常规活动中。所需的研究将检查整个系统中的食物网功能，并将支持技术开发。将开发评估和维护土壤食物网功能的技术，以协助土地管理人员和研究人员努力提高土壤生产力和管理水平。在未来的几年中，我们可以期待在回答以下土壤生物学问题方面取得进展。

什么是健康食物网？可以使用哪些度量或观察值来确定特定的生物群落是否适合预期的土地用途？对于高产且可持续的作物、林地或林地，哪种复杂程度最合适？

统计物种或生物类型是否更有用？《土壤生物学入门》将食物网生物分为六类。实现这些群体的最佳平衡是管理食物网的一种方法。或者，确定一组中存在的物种和复杂性可能会提供有关土壤健康和生产潜力的其他有用信息。

土壤的生物应如何管理？将来，土地管理人员可能能够更精确地预测管理决策的效果，例如耕种时间、某种堆肥的使用或特定农药的使用。他们可能会选择对土壤食物网的组成进行特定改变的做法。

需要确定实现高度多样化或复杂的土壤群落所需的成本。可以将这些与提供的生物服务所带来的好处进行比较，例如养分循环、疾病抑制和土壤结构增强。

推荐阅读

“土壤家”是“土壤观察”、“环境与健康观察”兄弟号。

欢迎关注我们， 联系我们请加13926117407微信号（或发邮件至[e-mail]）