不管你怎么切，健康的土壤都很重要
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电子邮件文明在土壤和水健康的地区蓬勃发展。农民们仍然依赖于他们6000年前的祖先一样的土壤。
人类文明起源于水资源丰富、土壤肥沃的富饶农业区，这绝不是偶然的。生产大量食物的能力使人们能够聚集在一起，建造城市，发展文化。今天，随着全球人口激增，保持和扩大生产足够粮食的能力从未像现在这样重要。所有的农业——农田作物bob体育合法吗、蔬菜、水果，甚至牲畜饲料——仍然依赖于6000年前相同的土壤。
“土壤是作物肥力的基础，而土壤肥力是作物健康和高产的基础，”密歇根州立大学(Michigan State University)的Phil Robertson说。BOB体育密歇根州立大学农业生物研究科bob体育登录学家，大学植物、土壤和微生物科学系特聘教授。“为了管理健康的土壤，你必须了解土壤提供了什么，以及它是如何提供的。”
土壤是一种复杂的介质，包括生物体、矿物颗粒和有机物，以及所有以土壤为家的生物(包括作物)所需的水和离子。
罗伯逊说:“我认为，有时我们认为作物更多地是地上的生物，而不是地下的生物，但实际上它们生活在两个世界。”“它们与其他生物协同工作，在土壤环境中发挥着重要作用。”
为了长期的改变而进行bob体育登录长期的研究
罗伯逊和他的同事在凯洛格生物站(KBS)在过去的26年里，在长期生态研究(LTER)计划的支持下，他们一直在研究农业用地生态的长期变化。bob体育登录他们观察生物体与其环境之间的相互作用。土壤环境是更大的生态系统的关键组成部分之一，在罗伯逊的工作中是高度优先的。
土壤微生物群落最重要的功能之一是分解和回收以前作物留下的有机物。有机物质以团聚体的形式在土壤中积累，这些小块的物质经过多年的积累，形成了可以用肉眼看到的东西。它们本身就构成了微小的生态系统。当无数种类的细菌和真菌消耗有机物时，营养物质被释放回土壤，并被作物的根吸收。鉴于这一过程对作物营养的重要意义，科学家现在广泛认识到土壤有机质是土壤肥力的基础。
然而，在转向传统农业之后，这种重要的土壤养分来源下降了。bob体育合法吗这种下降通常可以归因于微生物活性的增加。随着土地的耕种和土壤的搅动，团聚体受到干扰并暴露在大气中。突然暴露在氧气和元素中会导致它们分解，让微生物立即接触到它们所含的有机物。
在40到60年的时间里，土壤将失去40%到60%的原始有机物质。罗伯逊的团队正在寻找扭转恶化局面的方法。
罗伯逊说:“越来越多的农民认识到土壤有机质对他们的作物和生计有多么重要。”“将土壤有机质重建到接近自然生态系统的水平是可持续农业的主要目标之一。”bob体育合法吗
一般来说，土壤变化缓慢。虽然某些事件，如病原体的爆发，可以迅速产生变化，但大多数日常过程需要数年才能产生明显的影响。这使得长期研究项目，如在bob体育登录KBS这对于了解土壤的工作原理以及如何增强土壤至关重要。
罗伯逊解释说:“土壤的变化可能需要10年以上的时间，根据定义，这是一项长期研究。”“我们花了10年时间来记录这里最初的变化KBS我们有一些研究旨在持续二三十年。”
为了研究土壤健康变化，罗伯逊的团队监督2.5英亩的研究地块，采用四种农业管理方案:常规、免耕、减少投入和生物。bob体育登录常规系统采用农业行业的标准做法进行管理;免耕是一种不使用犁来破坏土壤的制度。减少投入的地块只使用少量的合成肥料和其他化学品进行管理，生物系统完全依赖有机来源的土壤养分。
研究小组将这些地块的结果与现场的两个自然生态系统进行了比较:一个是以前用于农业的区域，现在正在恢复自然状态，另一个是从未用于其他用途的原始森林区域。bob体育合法吗在实验开始后的几年里，出现了几种改善土壤有机质的方法。
“通过比较这些di?通过不同的系统，我们可以深入了解构成整个系统的因素，”罗伯逊解释道。“试验田是我们了解农业生态系统最重要的资产。”
例如，不耕作可以保留现有的有机物质，同时提供一个可以形成更多有机物质的环境。罗伯逊的团队在2012年干旱期间亲眼目睹了这种做法的重要性，当时严重缺乏雨水使作物完全依赖土壤中已经存在的水分。尽管干旱对密西根州的许多农民来说是毁灭性的，但该州土壤有机物浓度较高KBS在免耕管理下的LTER地块可以让农田额外储存3英寸的水，延长了植物的寿命。
那一年，免耕农田的大豆产量比传统农田高出50%。改善土壤有机质不仅具有明显的效益?影响作物产量，但也有助于保护更大的环境免受水污染和温室气体排放。固氮，即大气中的氮转化为植物可利用的形式，是自然界中主要由土壤中的细菌完成的一个基本过程。
罗伯逊说:“这是一个持续了亿万年的过程。“所有的生命都依赖于这些细菌，完全依赖。”
随着土壤有机质的减少，这些细菌最初捕获的氮也同样减少，这使得许多农民几乎没有什么办法，只能以化肥的形式向田地中添加氮。然而，施用过多的化肥或在错误的时间施用化肥，会导致化肥渗入地下水和/或逃逸到大气中，导致湖泊和河流中破坏性的藻类大量繁殖和气候变化。逃逸到大气中的一氧化二氮的毒性大约是它的300倍。比最常见的温室气体二氧化碳更能吸收热量。
罗伯逊说:“我们希望氮尽可能地源自并留在种植系统中。”“创造一个鼓励氮保护的环境，不仅对生活在那里的植物有益，对整个地球也有益。”
大洋彼岸
LTER的经验教训对于远离密歇根州山科里角(Hickory Corners)的地区也很重要。胜利Snapp,密歇根州立大学农业生物研bob体育登录究的农学家和全球变化中心的副主任，在她来之前就一直致力于改善非洲国家马拉维的土壤健康密歇根州立大学在1999年。
斯纳普说:“可持续性的问题，即土壤未来是否能继续生产粮食，在马拉维非常明显。”“那里的需求非常迫切。”
在马拉维，人口密度高，土地储备少，相当于人们耕种2英亩的土地来养活他们的家庭。几十年的集约使用导致土壤有机质严重下降。20多年前，联合国粮食及农业组织(粮农组织)在非洲大陆开展了一项bob体育合法吗土壤测绘项目。在马拉维各地挖土坑，并在每个地点采集土壤样本，以记录土壤类型及其属性。粮农组织的科学家仔细地对这些坑进行了地理参照，这样斯纳普和她的团队就可以在几十年后重新考察这些地点，以测量这些年间发生的变化。斯纳普说，他们的发现令人震惊。
“我们想知道这些土壤是否变得更糟了，”斯纳普解释说。“我认为他们可能已经达到了一个平台期，他们达到了最低的质量水平并保持在那里，但这并没有发生。长期数据显示，它们持续下降，这相当令人担忧。”
寻找恢复马拉维土壤的方法，从而使其粮食安全变得至关重要。作为KBS作为LTER农学委员会的委员，Snapp将在LTER学到的许多经验教训应用到马拉维的情况中。覆盖作物在该项目中的应用具有特别重要的意义，因为它们不仅可以改善土壤有机质，而且正确的覆盖作物还可以为农民带来利润。
Snapp的团队已经探索了一些对农民和土壤都有益的覆盖作物。木豆是一种短而多叶的灌木，原产于南亚，大约3000年前从印度进口到非洲，生长一到两年，产出的豌豆可以出售或供家人食用。这种植物也可用作牲畜的饲料，是循环利用土壤氮和磷的最佳选择。
斯纳普说:“我们需要可以收割或放牧的覆盖作物，这种作物可以生产出农民可以出售的产品。”“这?设定不种植经济作物的经济影响，同时帮助修复土壤质量。”
斯纳普从她在马拉维的工作中发现了重要的农业见解，并将其应用到世界其他地方。
斯纳普说:“我们在马拉维学到的一件事是，肥沃土壤所需的土壤碳量是最低的。”“我们正在接近找出这个临界点，这样我们就可以推荐一个农民需要保持有机物质的基本水平。”
利用边缘土地
在马拉维等地，对土壤健康状况下降最令人担忧的问题之一是随之而来的边际农业景观的增加，即土壤太贫瘠或地形太不利于作物健康生长的地区。这些土地绝非非洲东南部所独有。任何地方的土地是陡峭的或沼泽或土壤是岩石或排水不良
被认为是边缘地区，以及土壤养分有效性差的地区。帮助农民利用这些不那么肥沃的土地一直是国际农业组织的主要工作重点密歇根州立大学agbirbob体育登录esearch饲料专家Kim Cassida。
作为团队的一员密歇根州立大学农业生物研bob体育登录究的科学家Jason Rowntree和Lisa Tiemann, Cassida发现，边缘景观对放牧牲畜的饲料作物特别有用，与传统的经济作物相比，这种作物从土壤中吸收的养分更少。
卡西达解释说:“我们观察一块特定的土地，并确定最适合它的植物。”“与此同时，植物必须为动物提供正确的营养成分，因为我们正在努力为市场生产最高质量的牛肉。”
饲料作物的挑战源于它们的质量既不是统一的也不是静止的。随着特定枝条年龄的增长，其营养水平下降，使作物产量和营养价值之间的妥协不可避免。o?解决这个问题的方法是混合种植牧草，在营养价值和产量上相互补充。除了提高营养价值外，固氮豆类还能提高土壤肥力。
与密歇根州最常见的豆科饲料作物苜蓿和其他固氮豆科植物、草和一年生饲料合作，Cassida的团队是开拓性的饲料混合，不仅为牲畜提供优良的营养，还为整个土壤生态系统提供氮和其他营养物质。
有虫的业务
土壤不仅仅是作物和细菌的家园。其中最具影响力的居民是线虫——蛔虫，这对农民既有利又有害。线虫已经适应了地球上几乎所有的生态系统，海洋和陆地，但到目前为止，它们在人类健康和营养方面最重要的作用来自于它们与植物的相互作用。这些互动一直是密歇根州立大学农业生物研bob体育登录究科学家和园艺系副教授Haddish Melakeberhan。
“线虫生活在土壤和水中，可能有益，也可能有害，这取决于物种，”Melakeberhan说。“大约10%的物种是植物和人类的有害寄生虫。其余的在养分循环和害虫生物防治中发挥着重要作用。”
梅雷克伯汉醒了过来密歇根州立大学1990年，他在密歇根州西部做博士后bob体育登录研究员，研究樱桃树的退化。由于怀疑细菌和寄生线虫是罪魁祸首，Melakeberhan和他的同事们从树上取了样本带回温室，但无法重现导致树木死亡的疾病。就在那时，他有了顿悟。
“我说，‘我认为我们需要放弃一切，回去看看土壤，’”梅拉克伯汉说。
回到樱桃园密歇根州立大学研究小组将土壤样本从根区带到地表以下6英尺处，发现那里的土壤pH值明显低于该地区的正常水平。他们在实验室里复制了这些条件，并与线虫和细菌结合，疾病表现出来。他们发现土壤pH值低是因为使用了铵肥而不是硝酸盐，当他们建议种植者更换肥料并添加石灰时，疾病得到了缓解。
Melakeberhan说:“多年来，这是如何在该领域进行科学研究的一个案例。”
除了帮助种植者对抗o?对于有害的线虫，Melakeberhan的研究也帮助它们利用有益的物种。bob体育登录以细菌、真菌和其他线虫为食的有益线虫是土壤食物网的一部分，推动养分循环和土壤有机质积累。利用群落结构分析模型，Melakeberhan的团队可以帮助种植者评估他们的土壤健康状况，并确定必要的变化，以改善土壤，使其成为有益生物的栖息地。
在密歇根州这样一个多样化的农业州，管理有害和有益的线虫成为一个复杂的杂耍行为。Melakeberhan的团队已经开发了一种化肥使用e?基于效率的模型，从有害和有益的线虫抑制中分离养分缺乏和毒性，以及产量和土壤质量效益。
“在抑制有害线虫的同时，你需要线虫提供的生物活性来释放氮，”Melakeberhan说。“这就是土壤健康可持续性的起点。Diff吗?不同的土壤表现不同?显然，你需要理解那些di?为了e?为有益生物有效地管理它们。”
Melakeberhan进行了一项横跨密歇根州休伦县和萨吉诺县的研究，这两个县分别以壤土和砂质粘土壤土为特征。主要种植萝卜、芥菜、甜菜、大豆和玉米。他的团队发现di?不同土壤对不同种植制度的反应方式方法。例如，在休伦县的壤土中，玉米作物的氮有效性高于萨吉诺县的砂质粘土壤土。造成这些差异的原因是未来研究的主题。bob体育登录
Melakeberhan说:“我们必须进入下一个阶段来确定原因以及如何调整土壤。”“要做到这一点，就要找出哪些生物在驱动这些土壤中的食物网。”
在以细菌为食的线虫主导的系统中，它们的生命周期比其他物种要短得多，土壤往往会在短暂的、富含营养的爆发中获得氮。Melakeberhan希望看到更长寿的线虫种群不断增长，以稳定氮的可用性。
“这项工作对种植者的影响是，现在我们可以测试土壤处理来做出这些改变，”Melakeberhan说。“这是管理土壤健康的重要一步。”
更好的土壤，更好的食物
解决与土壤健康有关的复杂问题，正在帮助世界各地的农民以更可靠的方式生产更高产量的粮食，同时减少对环境的影响。
罗伯逊说:“这份工作最令人满意的部分是回答重要的问题，能够在一个其他人和你一样对此感到兴奋的环境中提出这些问题并寻找答案。”“土壤是高产农田和健康环境的关键，我们正在努力确保我们在未来拥有这些。”
随着时间的推移和人口的增长，这只会变得更加重要。
“拥有有机质丰富的土壤意味着你可以度过更长时间的干旱期，减少对灌溉和肥料的依赖，随着我们走向一个天气不稳定的未来，我们将需要更多的土壤。斯纳普说。“未来我们要养活90亿人，我们必须知道我们是否能做到这一点。”
本文发表在《未来》杂志上，该杂志由密歇根州立大学AgBioResearch每年出版两次。BOB体育bob体育登录欲查看过去的期货，请访问www.futuresmagazine.msu.edu．欲了解更多信息，请发邮件给编辑霍莉·惠茨斯通whetst11@msu.edu或打电话517-355-0123．
