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学术视点

汤怀志等:耕地土壤生物多样性保护的探索与展望

发布日期:2022-03-23浏览次数:信息来源:土地科学与技术学院

汤怀志   程 锋   张蕾娜

核心提示:耕地是“活”的生命体,其健康依赖于生活在其中的土壤生物、作物与环境等的良性相互作用。本文分析了耕地土壤生物多样性保护的内涵、价值和路径,提出加强耕地生物多样性基础理论研究、建设长期定位观测网络、研制保育修复技术等建议。


生物多样性作为人类社会生存和可持续发展的物质基础,已经成为国家重要的战略资源。与森林、草原、湿地、荒地、海洋等相比,耕地的生物多样性对人类生存具有更为重要的意义。当前我国对于耕地生物多样性的认知水平和管护能力较为不足,对于隐秘于地下的生物多样性的了解较为匮乏。因此,如何系统认知耕地资源的生物多样性,并将其有效应用于耕地资源的管理实践,将成为我国耕地资源可持续保护利用的关键科学挑战和重大历史任务。

耕地是“活”的生命体

土壤生物是耕地生态系统的重要组成部分。土壤生物主要包括植物根系、土壤动物以及肉眼无法看到的土壤微生物,涉及的生物数量巨大、种类繁多、结构复杂。一个理想的土壤生态系统,每平方米含有线虫数量500 万只、原生动物100亿只、微生物10 万亿个。土壤生物不是独立存在的,土壤动物和土壤微生物生活在植物根系周围,共同构成了紧密联系的土壤食物网,并以丰富而独特的生物网络与物质环境紧密关联在一起,形成了相互作用、相互制约的动态平衡综合体。耕地正是依赖生活在其中的生物及其驱动的关键生态过程来支撑其生产生态功能。土壤生物对耕地生产力的形成与耕地生态系统的维护至关重要,对其进行保护是耕地保护不可或缺的重要环节。

土壤生物多样性是耕地健康的重要表征。联合国粮食及农业组织报告指出,占地球生物多样性25% 的土壤生物多样性与多项联合国可持续发展目标密切相关,在形成土壤肥力、恢复土壤质量、防治土地退化和土壤污染、调节温室气体、洁净空气和净化水源、控制疾病等方面发挥了重要作用。一般而言,耕地若具备合理或较高的土壤生物多样性水平,意味着其具备更高的生产、自净、缓冲、恢复等“自然力”。土壤生物多样性可以被视为耕地生态系统健康运行的重要表征(如蚯蚓很早就被认为是可靠的耕地质量指示者),也可以作为耕地健康状况的指示性指标,并被纳入到不同尺度的监测评价中。

耕地土壤生物多样性水平易受人为干扰。耕地是一个“半人工—半自然”系统。一方面,“人工性”意味着耕地的本质是利用其生产功能满足人类生存需要。但不是所有的土壤生物或生态过程都有利于耕地生产和人类生活,也存在致使作物发病的有害生物。因此,必要的人为干预能提高耕地产能且有益于耕地健康。另一方面,“自然性”意味着耕地作为一个生命系统在完整的作物生产周期内会不断变化、动态调节,通过自然平衡实现自身健康。但人为干扰若超过了健康风险阈值,耕地“生命力”就会出现难以逆转的破坏。因此,兼顾“人工性”与“自然性”的科学自然资源管理,是遏制耕地土壤生物多样性持续下降、保持系统自我平衡的生命基石。

耕地土壤生物多样性的功能和威胁

土壤生物是维持耕地功能的核心驱动者和稳定器。其一,土壤生物对维持耕地生产功能具有重要作用。由土壤生物介导的生物地球化学过程驱动着土壤物质(元素)的转化与循环,在有机质分解、转换和积累以及养分矿化与固定方面起到重要调节作用,直接或间接地促进耕地生产力的形成。其二,耕地的土壤生物多样性越高,其抗环境胁迫能力越强。土壤生物参与陆地生态系统的修复,在土壤结构改良、污染物分解、毒素去除等方面发挥着重要作用,对于耕地资源生产力的恢复与维持至关重要。其三,土壤生物是气候变化和调节过程的重要参与者。除了植物,地球上第二大碳库就是土壤碳库。土壤碳循环最终是微生物生长和活动的结果。其四,土壤生物是重要的生物资源宝库。

不合理利用是耕地土壤生物多样性的主要威胁。一是长期高强度、高频次的人为干扰会改变土壤生物多样性,尤其是单一化密集种植、过量施用化肥农药等“掠夺性”利用方式,会明显降低土壤食物网结构的复杂性和稳定性,耕地生境会向有害方向变化。二是区域土地利用结构变化影响不可忽视。土地用途的变化,尤其是自然生态系统向人工生态系统的转变,会显著降低土壤生物多样性水平,影响土壤生物的活性和数量。由于土壤生物迁移扩散范围较小,所以保持耕地周边一定比例的自然、半自然景观格局对耕地保护意义重大。

保护耕地土壤生物多样性需要多措并举。土壤生物多样性及其所提供的生态系统服务至关重要,国际社会对其认识不断加深。以国际生物多样性合作研究计划和联合国粮食及农业组织“土壤生物多样性研究议程”为引领,欧美等发达国家或地区相继启动了一系列土壤生物多样性研究计划,并将生物多样性纳入国家耕地资源管理体系。我国也将土壤生物多样性纳入耕地资源质量分类工作,土壤生物多样性将成为耕地资源管理的重要依据。保护、提高土壤生物多样性需要使用最先进的方法和技术,需要实施长期持续的国家政策。

耕地土壤生物多样性保护面临的挑战

对耕地土壤生物分布、时空变化及影响机制等认知不足。土壤生物多样性对于耕地维持其自然功能非常重要,是保持耕地自然生产力和消纳降解能力的动力因素。然而,土壤生物尤其是微生物种类繁多、功能多样、规模庞大,不同国家、不同区域、不同作物的土壤微生物群落结构及组成千差万别,相关的生态功能、关键物种、对环境的适应机制、与耕地质量与生产力的关系等极为复杂,其理论体系尚未成熟,对耕地综合生产力的影响机制依然不够清楚。此外,相较于其他耕地质量特征,土壤生物的动态性更强,会随着时间、耕地利用方式而变化,对管理措施或外界环境改变的响应更敏感、迅捷。如何定量测定土壤生物与耕地质量的关系,需要深入开展基础研究。

耕地生物多样性保护亟待专业技术支撑。近年来,国际土壤生物技术发展迅速,分子生态学技术成为生物多样性研究的主流,相关专用仪器设备也发展迅猛。研发新的土壤微生物组学技术、研制相应的信息分析技术、分析不同时空尺度下土壤生物多样性的演化、预测土壤生物多样性变化对全国耕地质量甚至全球生态环境影响等,都需要多学科的技术支撑,需要培育耕地生物多样性保护的专业人才。

耕地生物多样性保护走向科学管理目前尚存障碍。一是需要明确我国耕地生物多样性的威胁因素。由于理论认知和技术手段的不足,人类能够识别的土壤生物尤其是微生物物种以及功能极其有限,更缺乏关于“为什么会影响土壤微生物多样性”和“通过何种途径影响土壤微生物多样性”等问题的探究,导致无法将耕地生物多样性水平与具体的人类活动挂钩并形成明确的因果关系。因此,亟待对我国不同类型耕地生态系统的土壤生物类群进行长期、定点监测,摸清生物多样性的资源、演变规律以及威胁因子,为土壤生物多样性保护及生物资源的挖掘利用提供科技支撑和决策依据。二是需要形成科学合理、规范可操作的管理指标。尽管土壤生物多样性已经成为国际科学研究热点,科学家也提出了一些用于表征土壤生物学性质、结构、功能、特征的方法,但至今仍未找到单一的核心表征指标,且很少国家专门评估过土壤生物多样性,更加缺乏国家层面系统监测。我国采用了全国统一的指标,初步摸清了耕地土壤微生物背景值,但要进一步精细分析耕地土壤生物多样性的差异,还需要研究建立一套更简单、敏感、实用且具有代表性的指标体系。三是管控途径有待探索。尽管国际上提出了土壤生物多样性保护的基本框架,但目前基于科学数据和管理实践的有效措施并不充分,探索有效治理路径依然是一个比较严峻的挑战。此外,除了管控技术上的难题,“谁来管控、谁来负责”等问题也成为耕地土壤生物多样性管理的重要挑战,亟待展开相关顶层设计,并选择典型区域开展试点研究。

以科技创新支撑耕地生物多样性保护

我国耕地土壤生物多样性保护已经处于科研探索向科学管理转化的关键阶段,缩短并加快破解“最后一公里”难题,关键在于将最新的科技创新成果转化为现实的自然资源综合管理能力。

加强和深化理论研究。笔者建议,以耕地相对集中、耕地生态退化较为典型的区域为试点,开展耕地土壤生物时空变化、耕地环境变化对土壤生物多样性的影响机制等关键问题研究,建立适用于我国的土壤生物与耕地质量关系的理论方法框架,研究遴选能够直接或间接反映耕地质量的土壤生物多样性指示性“体检”指标。

实施长期定位监测和多因素试验研究。笔者建议,将耕地土壤生物多样性纳入耕地资源长期监测站(网)的监测内容,形成地下微生物多样性长期监测和预警系统。同时,建立耕地土壤生物多样性大数据,研发出应用广泛、分析高效、结果准确的预测模型和算法,分析环境变化条件下耕地土壤生物的演变规律,为制定多变环境下的耕地生态系统管理策略提供支撑。

将科学成果纳入管理应用。切实落实耕地“三位一体”保护,加强耕地土壤生物研究成果的推广与应用,探索恢复和提升耕地土壤生物多样性的技术途径,并加强日常耕地资源监测监管,采取切实可行的耕地生态保护措施缓解人类活动影响。

〔注:本文支撑课题为自然资源部国土整治中心项目“全国耕地资源土壤微生物多样性分析”〕


(作者汤怀志供职于中国农业大学,程锋、张蕾娜供职于中国国土勘测规划院。全文转载自《中国土地》2022年第2期