充分利用土壤恢复和功能的微生物

玛丽安布伦是宾夕法尼亚州立大学生态系统科学与管理系的土壤微生物学副教授。Bruns Research Group旨在了解通过更好地管理农业和采矿的土地，可以促进土壤微生物的有益功能。该组侧重于营养循环和水保留的微生物过程。他们的目标是识别实践（图1），其维持微生物辅助水和营养物质的植物，导致更具成本效益和持久的恢复。

人类已经彻底改变了地球上具有保护作用的土层，农业和矿业是最具破坏性的土地利用方式之一。对土壤的严重干扰导致土壤不能保持水分和循环养分，这是在全球范围内缓解生物地球化学和水文失衡的两个关键土壤功能。布伦斯解释说:“一旦植被被移走，土壤被翻起、掩埋或侵蚀，植物根系、真菌、细菌和微型和大型动物之间建立的良好相互作用都被破坏了。我们想知道如何在改变的土壤中最有效地恢复功能的微生物根系网络，以提高养分循环、水分保持和植物生产力。”

受农业和采矿影响的土壤不仅在植物的养分和水分可用性上有所不同，它们也为微生物提供了截然不同的栖息地。布伦斯的团队旨在了解如何利用微生物管理两种土壤系统，通过改善微生物的生活条件来增强土壤功能。他们将功能定义为土壤生物驱动的捕获、保留和循环水和养分的能力。

该团队的恢复研究认识到，土壤功能依赖于维持微生物的生存能力和活动。他们最近的一篇论文的示意图(图2)描述了以微生物为基础的土壤管理如何通过减少干扰和持续提供有机残留物来促进有益的微生物过程。在这里，我们仔细看看他们的研究，该研究阐述了在管理受农业和采矿影响的土壤时将微生物考虑在内的情况。

图2。微生物明智的土壤管理可以促进有益的微生物过程（来自Bhowmiket al .,2017年。）各种颜色的文本，连接箭头和线条是蓝色的（用于物理结构改进）;绿色（适用于植物投入增加）;和红色（对于更多样化的有机投入）。

将生物功能恢复到农业土壤
在转化为农业之前，土壤赋予有机物质的生命股票，黑暗的无定形物质，几十年内，如果没有植物，动物和微生物残留物的微生物分解。然而，农业作物收获可防止大多数植物残留物返回土壤，耕作（例如，耕作）破坏和膨胀土壤，导致有机物质的快速微生物氧化。这些做法与风和水侵蚀相结合，导致本土有机物质股票在全球农业土壤中降低一半。

为了恢复土壤功能，继续供应新鲜根部渗出物或有机残留物至关重要。有机物质的添加维持富含能量的碳化合物的微生物降解，使植物和其他微生物可用的矿物营养。在有机化合物的降解期间，微生物也产生与较低可降解的残基结合以产生稳定的有机物质的分泌物。因为它充当水和营养保留海绵，所以稳定的有机物改善了微生物栖息地。因此，微生物降解活性在土壤生物功能上施加阳性反馈。

帮助恢复生物功能到农业土壤的管理实践包括减少耕作，具有多年生豆类的作物旋转，覆盖裁剪（图3）。冬季覆盖作物，在晚夏或秋季种植，加入有机碳并提供保护的土壤覆盖物。布伦和她的同事正在评估土壤微生物过程的变化，以应对美国农业部资助的种植系统实验中的这些实践。

Bruns组特别感兴趣地对土壤功能和植物可用氮（N）的主要形式之间的关系。它们在其较少的移动形式（即，铵，氨基酸，蛋白质）中施用n次占主导地位的土壤，导致土壤n持续时间较长，并增加作物N吸收概率。在研究中潜在有益的过程的一个例子是高流动硝酸盐的微生物转化为铵。

该团队的恢复研究认识到，土壤功能依赖于维持微生物的生存能力和活动。

Bruns假设泡沫，土壤中的更丰富的能量丰富的条件将提高土壤微生物以较少的移动形式保留N的能力，并使其远离环境。这是改善土壤功能的重要目标，因为平均而言，在全球农作物占用的肥料N小于50％。

恢复受采矿影响的土地的生产力
在美国阿巴拉契亚地区，开采近地表煤层的露天开采已经影响了数百万公顷的土地。尽管政府在20世纪70年代立法强制对露天矿区土地进行复垦，但法律要求的依据是最低植物覆盖面积，而不是土壤性质，结果是复垦后很难达到以前的土地生产力水平。由于土壤主要由堆积和重新分配的岩石底土组成，植物生产力持续低下。这些土壤中的微生物生活条件极其恶劣，有机物含量非常低，由于设备的沉重压实，它们几乎无法接触到水和空气。

虽然条带落地的土地在面积广泛，当高度酸性的矿山迸发出废弃的地下矿井时，较小的“杀戮区”。随着富含矿物酸性矿山排水（AMD）出现并流动陆上，酸性金属沉淀物沉积在土地上，造成尾迹造成所有植被。贫瘠杀死区的特征是氧化铁沉淀物（低于pH 3）的红橙色表面层，禁止血管植物生长。留下无人看管，杀死区几十年来持续贫瘠，只允许耐酸苔藓或地衣的生长。

Bruns和她的团队对阿巴拉契亚高原的无障碍AMD荒芜进行了研究，距离她的大学约100公里（图4）。大多数贫瘠不再是淹没的，并且包括三个区域，其厚度不同的AMD沉淀物和深度与水位。

2006年，她的团队应用了一种填海方法来测试所有三个区域的地块。为了促进微生物和根源之间的更强的相互作用，该团队避免了使用高压肥料，以支持堆肥和一年的燕麦护士作物。这些修正案旨在通过用有机碳刺激微生物活性并更慢地释放矿物质，使得能够通过刺激微生物活性来实现植物微生物共混物。

抵消期望，所有地块都成功地重新进行，尽管每个区域都支持了非常不同的植物社区。他们的治疗证明是有效的，即使在最污染和涝渍的地方。尽管它们不同的酸度，矿物学和水文水平，但所有回收的地块都会通过在五年内保留80％至100％的植物覆盖来达到矿山填海病程。团队得出结论，即使是严重的酸化位点是可恢复的。他们的研究对当地社区具有重要影响，往往留下恢复受污染土地的责任。在本地规模中可以获得相对简单，廉价的技术的成功。

结论
为了改善土壤功能，我们可以通过改善其生命条件，提供足够的，但不过量，食品，空气，水和最小化栖息地破坏的居民土壤微生物。Bruns的研究具有重要的现实世界应用，可修复运作差的土壤，提高土壤质量和生产力。她对其生物地球化学到其微生物群落的所有方面的使用使她能够应用高效的恢复和改进方法。本集团的未来工作将侧重于其实验室和现场研究如何在更多种环境条件下扩大到更大的区域。

蓝藻结合作为生物肥料和土壤调节剂
建立重要的土壤微生物过程需要更多研究的想法，Bruns和她的前博士生辛鹏研究了使用光合，肌肉的光合作用的生物学器的使用₂固定（即，转换n₂来自空气到矿物质的气体，植物根部可以吸收和使用）。在多年观察本地农业领域的表面上的复发性蓝细菌生长（图5）后，Bruns从PSU农业科学学院获得了研究创新授权，以开发DG1，一种局部局部蓝藻和非水性细菌的强大联盟，用于应用于土壤表面。DG1显示为修复n₂但数量不足以满足玉米等作物对氮的需求。尽管如此，DG1仍可提供其他生态系统服务，如地表稳定、保水和控制侵蚀。为了证明DG1的能力，彭研究表明，与未接种的土壤相比，DG1在施氮土壤微群落中生长2-3 d后，模拟降雨后土壤硝酸盐的保留量增加了50-70%。DG1添加量较小(< 5 mg生物量m^-2）比更密集的应用更有效，使得更大的待治疗区域。因此，彭由于通过固定n来调节土壤致细菌联盟可以调节土壤n₂当浓度较高时，在基于限量条件下或通过固定硝酸盐。