土壤微生物的前世今生

李菲

“科學(xué)家們希望，土壤微生物可以替代化肥和農(nóng)藥，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，消除化肥和農(nóng)藥廣泛、大規(guī)模使用的負(fù)面效應(yīng)。”

很少有人意識到，土壤也是活的。在我們的腳下，存在著大量的肉眼不可見的微生物。這些微生物與植物休戚相關(guān)，不眠不休地把植物不能直接吸收利用的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成植物根系可以吸收利用的形式。這些有機物質(zhì)主要包括鞣質(zhì)、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、碳水化合物、纖維素、果膠等。近年來，在土壤微生物方面的研究，與人體微生物類似，也吸引了越來越多企業(yè)的注意力和巨額的資金投入。

土壤難以數(shù)計的微生物，是一個巨大的寶庫。這個寶庫里面有許多許多等待人們?nèi)ラ_發(fā)和利用的武器，能夠幫助人們解決農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的諸多問題。對有益的土壤微生物進(jìn)行開發(fā)利用，可以極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少化肥和農(nóng)藥噴施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高經(jīng)濟和社會發(fā)展的可持續(xù)能力。

土壤微生物的前世今生

到2050年，世界人口估計將超過90億。而諸多發(fā)展中國家人民生活水平的提高，也需要更多的食物供應(yīng)。為了以可持續(xù)的方式解決這些問題，人類需要在保護(hù)好地球環(huán)境的前提下，用更少的資源，產(chǎn)出更多的糧食。幸運的是，人類不是孤軍奮戰(zhàn)，而是有很多戰(zhàn)斗伙伴，土壤微生物就是人類的關(guān)鍵戰(zhàn)友之一。

在人類的農(nóng)業(yè)實踐中，利用土壤微生物的歷史，源遠(yuǎn)流長。人們很早就發(fā)現(xiàn)小麥或玉米與豆科作物輪作，可以保持土壤肥力。任何一個觀察過豆科植物根系的人，都知道植物的根部有很多螞蟻大小的疙瘩。古代的農(nóng)民直覺的認(rèn)識到，這些小疙瘩和豆科作物提高農(nóng)田肥力的能力相關(guān)。但是我們的祖先不知道，豆科植物（包括菜豆、豌豆、花生、大豆、苜蓿等很多農(nóng)牧作物）改良農(nóng)田的能力，是細(xì)菌創(chuàng)造的奇跡之一。但是其中的機理，直到19世紀(jì)才被揭曉。

在巴斯德發(fā)明巴氏滅菌法并成為微生物學(xué)之父的時候，他的一個相對不那么知名的同事，馬丁努斯·威廉-拜耶林克發(fā)現(xiàn)是細(xì)菌侵染豆科植物的根系，導(dǎo)致了根瘤的形成。根瘤并不是植物的腫瘤。相反，根瘤是豆科植物的肥料工廠。農(nóng)作物生長需要大量的氮肥。土壤肥力不夠，而植物不能利用空氣中大量存在的氮氣（N₂）。這時候就需要根瘤中的固氮細(xì)菌把空氣中的氮轉(zhuǎn)化成植物可以利用的形式，氨和硝酸鹽（NH₄+、NO₃-）。這些與豆科植物共生的固氮細(xì)菌，從植物那里獲取植物光合作用制造的有機物。作為交換，為豆科植物提供氮肥，極大地提高了豆科作物的產(chǎn)量。

但是.主要的糧食作物，包括小麥、玉米、水稻等，都不能和根瘤細(xì)菌共生。從二十世紀(jì)直到現(xiàn)在，是化學(xué)解決了這個問題。被稱為HaberBosch的化學(xué)反應(yīng)，可以將氮氣經(jīng)過高溫高壓的化學(xué)反應(yīng)人工合成為氮肥。這一化學(xué)反應(yīng)的大規(guī)模應(yīng)用，使大氣中的氮變成生產(chǎn)氮肥的、永不枯竭的廉價來源，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極大地擺脫了土壤條件的限制。原本產(chǎn)量極低的貧瘠的農(nóng)田，也可以為人類所用了。哈伯因此被稱作解救世界糧食危機的天才。據(jù)估計，這一化學(xué)過程合成的氮，約占人類食用的蛋白質(zhì)中氮元素的40%。

土壤微生物正被污染

化學(xué)合成的化肥和農(nóng)藥，的確起到了巨大的正面作用。但近幾十年以來，人們逐漸意識到大規(guī)模化學(xué)產(chǎn)品應(yīng)用的負(fù)面效應(yīng)，包括環(huán)境污染、農(nóng)田地力下降、害蟲和雜草的抗性等等。

與此同時，隨著研究技術(shù)的進(jìn)步，土壤微生物被長期忽視的狀況，正在逐漸改變。科學(xué)家們希望，土壤微生物可以替代化肥和農(nóng)藥，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，消除化肥和農(nóng)藥廣泛、大規(guī)模使用的負(fù)面效應(yīng)。

目前已經(jīng)有很多的論文，報道了土壤微生物菌株，包括細(xì)菌、真菌等，與農(nóng)作物形成互利互惠的共生關(guān)系。植物為微生物菌株提供有機碳作為營養(yǎng)物質(zhì)。微生物幫助植物吸收無機營養(yǎng)物質(zhì)，提高值株對干旱、高鹽等逆境的抗性。幫助植株抵御病菌和害蟲。甚至已經(jīng)有文章報道，微生物會影響草莓的風(fēng)味。現(xiàn)在已經(jīng)有一些商業(yè)生產(chǎn)的細(xì)菌和真菌菌劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中替代化肥和農(nóng)藥，取得了良好的效果。（編輯/侯幫虎）