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作者：Christine Jones 土壤恢复是改善土壤结构、微生物寿命、养分密度和总体碳水平的过程。在过去70年中，人类的许多努力——其中包括传统农业——已经耗尽了地球，几乎每种食物的营养水平都下降了10%到100%。然而，当农民和园丁保持恒定的地面覆盖，增加微生物数量，鼓励生物多样性，减少农业化学品的使用，避免耕作时，土壤质量可以显著改善。 土壤恢复始于光合作用。 光合作用的力量 想象一下，有一个过程可以去除大气中的二氧化碳（CO2），用提供生命的氧气代替它，支持强大的土壤微生物群，再生表层土壤，提高食物的营养密度，恢复景观的水平衡，提高农业的盈利能力。幸运的是，这就是光合作用。 在绿叶叶绿体中发生的光合作用奇迹中，空气中的CO2和土壤中的H2O结合在一起，捕获光能并转化为单糖形式的生物化学能量。 这些单糖——通常被称为光合产物——是生命的基石。植物将糖转化为多种多样的其他碳化合物，包括淀粉、蛋白质、有机酸、纤维素、木质素、蜡和油。 水果、蔬菜、坚果、种子和谷物是由光合作用产生的包装阳光。我们的细胞和其他生物的细胞在有氧呼吸过程中利用的氧气也来自光合作用。 值得注意的是，光合作用过程中形成的单糖中的许多碳化合物对形成结构良好的表层土也是必不可少的。没有光合作用就没有土壤。风化的岩石矿物，是的…但没有肥沃的表层土。 植物微型桥 让许多人惊讶的是，陆地上95%以上的生命生活在土壤中，而我们脚下这个神奇世界的大部分能量都来自植物碳。活根的渗出物是这些碳源中能量最丰富的。作为“液态碳”的交换，植物根部附近的微生物——以及通过有益真菌网络与植物相连的微生物——增加了维持植物宿主健康和活力所需的矿物质和微量元素的可用性（1，2）。 Bruce Tainio：《改善土壤微生物生活》，摘自2005年生态农业大会和贸易展览会。（1小时，2分钟）听著名农学家讲解如何在土壤中喂养微生物，并开发最佳的微生物生物多样性。 微生物活动还驱动聚集过程，从而增强土壤结构稳定性、通气、渗透和持水能力。当植物微生物桥有效运作时，所有生物——地上和地下——都会受益。 可悲的是，今天的许多耕作方法严重损害了土壤微生物群落，显著减少了转移到土壤中并稳定在土壤中的液态碳的数量。这会在整个过程中产生负面反馈。在过去150年中，世界上许多主要的农业土壤流失了30%至75%的碳，向大气中增加了数十亿吨的二氧化碳（3）。 土壤碳的流失大大降低了土地的生产潜力和农业的盈利能力。近几十年来，土壤退化加剧——在过去40年中，由于土壤退化，世界上约30%的农田被遗弃（4）。预计到2050年，全球人口将达到接近100亿的峰值，因此，对土壤恢复的需求从未如此迫切。土壤功能障碍也会影响人类和动物的健康。 我们食物中的营养素缺乏 在过去70年中，几乎每种食物中的每种营养素含量都下降了10%到100%。这是一个令人难以置信的清醒事实。今天，一个人需要摄入两倍的肉类、三倍的水果和四到五倍的蔬菜，才能获得1940年相同食物中所含的相同数量的矿物质和微量元素。 David Thomas博士（5,6）根据澳大利亚医学研究委员会、农业部、渔业和食品部以及食品标准局发布的表格，对食品成分的历史变化进行了全面分析。通过将1940年的数据与1991年的数据进行比较，托马斯证明了他调查的每一组食物中矿物质和微量元素的含量都大幅下降。 托马斯的综述中总结的营养素耗竭是27种蔬菜和10种肉类中矿物质和微量元素变化的加权平均值： 5.蔬菜中的矿物质消耗（1940-1991年；27种蔬菜的平均值）： 铜–下降76% 钙–下降46% 铁——下降27% 镁–下降24% 钾–下降16% 6.肉类中的矿物质消耗（1940-1991年；10种肉类的平均值）： 铜–下降24% 钙–下降41% 铁——下降54% 镁–下降10% 钾–下降16% 磷–下降28% 同期测试的17种水果和两种乳制品中也记录了显著的矿物质和微量元素消耗（5）。肉类和奶制品中的矿物质耗竭反映了动物正在消耗本身就已耗尽矿物质的植物和/或谷物这一事实。 除了营养密度的总体下降外，托马斯还发现矿物质之间的比例发生了显著变化。鉴于矿物质和微量元素的比例对于最佳生理功能至关重要，这些扭曲的比例很可能会影响人类的健康和福祉（5）。 恢复食物的营养密度 人们普遍认为，当今化学生产的食品营养密度的显著降低是由于稀释效应。当产量增加但矿物质含量下降时，就会发生稀释。然而，值得注意的是，在健康、生物活性土壤中种植的蔬菜、作物和牧场并没有表现出这些受损的营养水平。 只有在极少数情况下，土壤中完全没有矿物质和微量元素。在今天的植物、动物和人身上观察到的大多数“缺陷”是由于土壤条件不利于养分吸收。这些矿物质存在于土壤中，但根本不是植物可利用的。添加无机元素来纠正这些所谓的缺陷是一种低效的做法。相反，我们需要解决功能障碍的生物学原因。 大约85%到90%的植物养分获取是由微生物介导的。土壤支持养分密集的作物、牧场、水果和蔬菜的能力需要存在一系列不同功能组的土壤微生物。 参与营养获取的大多数微生物都依赖于植物。也就是说，它们对积极生长的绿色植物根部散发的碳化合物做出反应。这些重要的微生物群体中的许多都受到了“苹果酒”的负面影响——除草剂、杀虫剂、杀虫剂和杀菌剂。 简而言之，土壤生态系统的功能取决于积极生长的绿色植物的存在、多样性和光合速率，以及化学毒素的存在与否。 但是谁来管理这些植物和化学品呢？你猜对了……我们猜对了。 幸运的是，消费者越来越意识到食品不仅仅是一种商品。恢复土壤完整性、肥力、结构和蓄水能力取决于我们——不是通过对症状应用创可贴，而是通过更好地管理我们的粮食生产系统。 土壤碳汇 土壤可以作为碳源——向大气中添加碳——或者作为碳汇——从大气中去除二氧化碳。源/汇方程的动态很大程度上取决于土地管理。 几千年来，一个高效的碳循环已经形成，其中碳化合物形式的生物化学能量的捕获、储存、转移、释放和再捕获不断重复。土壤的健康和植物、动物和人的活力取决于这种循环的有效运作。 工业革命以来的技术发展产生了能够从地表下提取大量化石燃料的机械，以及能够铺设大片草原和森林的机械。这导致越来越多的二氧化碳释放到大气中，同时破坏了我们可以控制的最大的天然汇。 自然汇容量的下降放大了人为排放的影响。今天，许多农业、园艺、林业和园林土壤都是净碳源。也就是说，这些土壤流失的碳比封存的碳更多。 通过改善植物和土壤管理，逆转二氧化碳向大气的净迁移的潜力是巨大的。以提高土壤隔离和稳定储存大量大气碳的能力的方式管理植被覆盖，为解决人类当前面临的一些最具挑战性的问题提供了一个切实可行的、几乎立即的解决方案。 成功的土壤恢复和碳封存的关键是掌握正确的基础知识。 土壤修复的五大原则 绿色是好的-全年绿色更好 光合作用每年从大气中吸收数千亿吨二氧化碳。2014年，美国宇航局发布了一份令人惊叹的可视化图片，生动地说明了这种减少的影响（8）。通过绿色植物将碳从大气中转移到土壤中，这是我们可以利用的恢复土壤功能和减少大气CO2的最有力工具。 虽然每一种绿色植物都是太阳能碳泵，但正是活植物的光合能力和光合速率（而不是它们的生物量）推动了稳定土壤碳的生物获取。光合能力是给定区域内绿叶截获的光的量（由冠层覆盖率、植物高度、叶面积、叶形状和季节性生长模式决定）。 在农业用地上，可以通过使用多种覆盖作物、动物整合、多物种牧场和战略放牧来提高光合能力。在公园和花园中，植物多样性和刈割高度是重要因素。裸土没有光合能力。裸露的土壤也是一种净碳源，容易受到风和水的侵蚀。 光合速率是植物将光能转化为糖的速率。它是由许多因素决定的，包括光照强度、湿度、温度、养分可用性以及微生物共生体对植物的需求。例如，菌根真菌的存在可以显著提高光合速率。植物以较高的速度进行光合作用，其糖分和矿物质含量较高，不易发生虫害和疾病，有助于提高牲畜的体重。 光合速率可以通过用折射仪测量白利糖度来评估。全球光合能力和/或光合速率增加5%左右，就足以抵消化石燃料燃烧产生的二氧化碳流量，前提是额外的碳以稳定的形式被封存在土壤中。这是可行的。平均而言，全球农田每年大约有一半是光秃秃的（9）。如果你能看到土壤，它正在流失碳！ 光合能力和光合速率都受到管理的强烈影响。领先的轻型农场主正在开发创新的高产方式，以保持土壤覆盖和活力，同时生产营养丰富的食物和优质纤维。
图1：如果在一次放牧中超过50%的绿叶被移除，则顶部和根部的生长都会受到严重影响。 50%的茎叶部分被移除，根系不会停止生长 70的茎叶部分被移除，50%的根系停止生长17天 90%的茎叶部分被移除，100%的根系停止生长17天 放牧管理 这个主题需要的空间远远超过可用的空间，但至关重要的是，不到50%的可用绿叶被放牧（见上图）。保持充足的叶面积可以减少放牧对光合能力的影响，并使生物量快速恢复到放牧前的水平。在12个月的时间里，如果牧场长得高而不是短，将产生更多的牧草，并将更多的碳封存在土壤中。 除叶面积外，牧草高度对土壤形成、水分保持、养分循环和水质也有显著影响。为了保持光合能力（并确保快速恢复），在看到牲畜的脚之前将其从牧场上移除是非常有益的。 再生放牧可以非常有效地恢复地下深处的土壤碳水平。碳越深，就越能防止氧化和微生物分解。最重要的隔离是发生在30 cm以下（12）。 作物产量 越来越复杂的机械和过多的“苹果酒”为地球上快速增长的人口提供了在数十亿英亩土地上创造裸地的手段，大大降低了全球光合能力。光合作用水平的降低反过来导致了土壤中的碳流减少，从而显著影响了土壤和景观功能以及农业生产力。 有机碳在水中的含量是其自身重量的4至20倍。这意味着当碳水平耗尽时，土壤的持水能力会受到严重影响。当土壤潮湿时，持水量低会导致结构稳定性差，当土壤干燥时，会导致植物生长减少。 近年来最重要的发现之一是，当裸休耕被多物种覆盖物取代时，渗透、持水能力和抗旱能力得到了改善。这种改善在降雨量较低的地区和干旱年份尤为明显（13）。 微生物物质 一个健康的农业系统是支持所有形式的生命的系统。很多时候，土壤中的许多生命形式被认为是可有可无的。或者，更准确地说，它们根本没有被考虑。 植物微生物桥在土壤碳转移和稳定中的重要性越来越受到人们的重视。土壤微生物组现在被认为是土壤修复研究的下一个前沿。 菌根真菌是植物依赖性土壤构建微生物中最重要的一类。这些非凡的生态系统工程师获取水，保护宿主免受病虫害，并运输有机氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等营养物质，以及铜、钴、锌、钼、锰和硼等基本微量元素，所有这些都是为了交换液态碳。这些元素中的许多对于抵抗病虫害和极端气候如干旱、水涝和霜冻至关重要。 当菌根共生有效发挥作用时，固定在绿叶中的20-60%的碳可以直接导入土壤菌丝网络，其中一部分与生物固定氮结合，转化为稳定的腐殖质化合物。土壤剖面越深越好。土壤基质中土壤生物形成的腐殖质聚合物改善了土壤结构、孔隙度、阳离子交换能力和植物生长。 土壤功能也受到其结构的强烈影响。为了使土壤结构良好，它必须是活的。土壤中的生命提供了胶水和树胶，使土壤颗粒粘在一起，形成豌豆大小的团块，称为聚集体。骨料之间的空隙使水分更容易渗透。吸收到土壤团聚体中的水分被防止蒸发，使土壤在下雨或灌溉后保持湿润更长时间。这提高了农场的生产力和利润。 结构良好的土壤也不易受到侵蚀和压实，而且它们作为生物过滤器的作用更为有效。 可悲的是，许多对土壤功能重要的微生物在活动中消失了。我们能把它们弄回来吗？一些生产商在相对较短的时间内大幅改善了土壤健康状况。这些农民在做什么？他们多样化。 多样性是不可或缺的 每一种植物都散发出自己独特的糖、酶、酚、氨基酸、核酸、生长素、赤霉素和其他生物化合物的混合物，其中许多化合物对土壤微生物起信号作用。根分泌物随时间不断变化，这取决于植物的即时需求。植物的多样性越大，微生物的多样性就越大，土壤生态系统就越健壮。 单一栽培和集中管理的系统比多样化的基于生物的系统更有利可图的信念在实践中并不成立。单作物栽培需要大量且经常增加的肥料、杀菌剂、杀虫剂和其他抑制土壤生物活性的化学物质的支持。其结果是，为了控制害虫、杂草、疾病和随之而来的生育问题，在农业化学品上的支出甚至更大。 曾经覆盖澳大利亚、北美、南美和撒哈拉以南非洲大陆大片地区的天然草原，加上欧洲的“草地”，包含了数百种不同的草和灌木。在通过过度放牧和/或耕作而简化之前，这些多样化的草原和草地生产力极高。
图2：单作小黑麦（左）遭受严重的水分胁迫，而与其他物种一起播种的小黑麦（右）是健康的。除了小黑麦，“鸡尾酒作物”还包括燕麦、耕作萝卜、向日葵、豌豆、蚕豆、鹰嘴豆、小米和狐尾小米。 创新的农民正在对多达70种不同的植物进行试验，看看哪种组合对土壤恢复效果最好。一些粮食和蔬菜生产商将其经济作物面积的50%用于多种多样的土壤引物。他们认为收益远远大于成本。据报道，多物种覆盖的两个完整季节可以在土壤健康方面创造奇迹。豌豆与油菜、三叶草或扁豆与小麦、大豆和/或豌豆与玉米、荞麦和/或大豆与土豆的混合物越来越常见。 将动物融入农田也非常有益。不过，这并不需要复杂。一些简单的事情，比如让一个或两个同伴和一个经济作物，就能改变世界。 除了改善土壤功能外，伴生植物还为昆虫捕食者提供栖息地和食物。最近的研究（15）表明，随着农作物和牧场中昆虫的多样性增加，虫害的发生率下降，减少了对杀虫剂的需求。 植物群落结构的一个方面正受到越来越多的研究关注，即“常见菌根网络”（CMN）在不同的牧场、作物和菜园中的存在。 已经发现，社区中的植物通过连接在巨大的地下超级高速公路上相互帮助，它们可以通过这些高速公路交换碳、水和养分（16，17）。CMN提高植物对病虫害的抵抗力（18），增强植物活力，改善土壤健康。 在我的旅行中，我看到了许多单一作物遭受严重水分胁迫的例子，而它们旁边的多种作物仍然保持绿色（见上图）。 在混合种种植中，暖季草（如高粱和玉米）是土壤碳库的最慷慨的“供给者”，而阔叶植物则从养分的增加中获益最大。在畜牧生产系统中，与缺乏植物多样性（以及动物营养）相关的动物健康问题往往意味着利润和损失之间的差异。 使用化学品可能会造成危险 活土壤可以显著改善矿物循环。例如，研究人员表明，菌根真菌可以提供植物90%的氮（N）和磷（P）需求（20）。除了在作物轮作中包括同伴和多种覆盖物外，保持一个有生命的土壤通常需要减少高分析合成肥料和其他化学品的应用。
活土壤可以显著改善矿物循环。 利润是支出和收入之间的差额。在未来的几年里，我们也许会想知道，为什么仅仅依靠日益昂贵的合成投入，就花了这么长时间才意识到在功能失调的土壤中种植作物是徒劳的。 任何数量的NPK肥料都不能补偿压实的、无生命的、低润湿性和低持水量的土壤。事实上，添加更多的化肥往往会使情况变得更糟。这对于无机N和P尤其如此。 高氮磷施用率的一个经常被忽视的后果是，植物不再需要将液态碳输送到土壤微生物群落中以获得这些基本元素。碳流量减少对土壤聚集有负面影响，并限制了参与获取重要矿物和微量元素的微生物的可用能量。这增加了植物对害虫和疾病的敏感性。 无机氮 使用高分析氮肥对农民和环境造成了巨大的成本。只有10%到40%被植物吸收，这意味着60%到90%的施氮通过挥发和淋失的组合而损失。 人们通常认为氮只来自肥料或豆类。但所有的绿色植物都能与固氮微生物一起生长。即使施用氮肥，植物也能从微生物群落中获得大量的氮。 试验一年绿色农业技术的农民发现，他们的土壤具有固定大气氮的先天能力。然而，如果长期使用高氮肥，则必须缓慢地停用氮肥，因为自由生活的固氮细菌需要时间才能重新建立。 使用氮肥的另一个意外后果是在积水和/或压实土壤中产生一氧化二氮。氧化亚氮是一种温室气体，其全球变暖潜力几乎是二氧化碳的300倍。 无机磷 大量水溶性磷的施用，如MAP、DAP和过磷酸钙，会抑制重要植物激素strigolactone的产生。Strigolactone增加了根系生长、根毛发育和菌根真菌的定植，使植物能够更好地获取土壤中已经存在的磷。三萜内酯抑制的长期后果包括土壤团聚体的不稳定、土壤压实度增加以及缺乏矿物质（如低硒）的植物和动物。 除了对土壤结构和食物的营养密度产生不利影响外，无机水溶性磷的应用效率很低。至少80%的施用P快速吸附到铝和氧化铁上和/或形成钙、铝或铁磷酸盐。在缺乏微生物活性的情况下，这些形式的磷在植物中是不可用的。 人们普遍认为，在施用的一年中，只有10-15%的肥料P被作物和牧场吸收。如果在过去10年中施用了磷肥，那么无论之前土壤中有多少磷，在未来100年中都会有足够的磷。与施用更多的磷相比，激活土壤微生物以获取已经存在的磷更为经济。 菌根真菌对增加土壤P的有效性极为重要。通过覆盖作物、多样性和适当的放牧管理，可以显著提高其丰度。 避免过度耕作 耕作可以明显地快速解决由于缺乏根深蒂固的生物覆盖而造成的土壤问题。然而，反复和/或积极耕作会增加土壤对侵蚀的敏感性。它也会耗尽土壤碳和有机氮，快速矿化土壤养分（导致短期冲洗但长期耗竭），并对有益的土壤构建微生物（如菌根真菌）和关键无脊椎动物（如蚯蚓）极为有害。 耕作过程中裸露土壤中有机物的氧化增加，加上光合能力降低，不仅会向大气中增加二氧化碳，还可能导致大气氧气水平下降。 结论 所有食品和纤维生产商——无论是谷物、牛肉、牛奶、羊肉、羊毛、棉花、糖、坚果、水果、蔬菜、花卉、干草、青贮饲料还是木材——首先都是轻农。 自工业革命以来，由于地球表面的绿色植被面积减少，人类活动导致光合能力显著下降。人类活动也影响了残留的地表植被的光合速率。 在我们所属的生物群落中，我们的作用是确保我们管理绿色植物的方式能够将尽可能多的光能作为稳定的土壤碳转移到土壤电池中并保持在土壤电池中。增加土壤碳水平可以提高农业生产力，恢复景观功能，减少人为排放的影响，并增强对气候变化的抵御能力。 与其说是在任何特定的地方通过任何特定的方法可以封存多少碳，不如说是土壤封存了多少碳。如果所有的农业、花园和公共土地都是碳的净汇，我们可以很容易地减少足够的二氧化碳，以抵消化石燃料燃烧产生的排放。 当土壤成为净碳汇时，每个人都会受益。通过我们的食物选择、耕作和园艺实践，我们都有机会影响土壤的管理。有利可图的农业、营养丰富的食物、清洁的水和充满活力的社区可以是我们的……如果这是我们的选择。 作者特别感谢Sarah Troisi对本文中使用的照片提供的专家技术帮助。 土壤生态学家克里斯汀·琼斯博士与创新的农民和牧场主合作，实施再生土地管理实践，以增强生物多样性、养分循环、碳封存、生产力、水质以及社区和集水区健康。她推出了Amazing Carbon（www.amazingcarbon.com），以此分享她的愿景并激励变革。2005年，琼斯博士举办了五个“管理碳循环”论坛中的第一个，以促进土壤碳的益处。在过去的十年中，她作为一名演讲者获得了国际认可。她还是俄亥俄州哥伦布市2017英亩美国生态农业大会暨贸易展的主旨演讲人，并在生态农业大学讲授了一门关于恢复农业土壤多样性的课程。 |
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