微生物是地球最早出現(xiàn)的生命形式，這種簡單而古老的生命決定了地球演化的方向和進程，推動了土壤的發(fā)生和發(fā)育，孕育了人類的文明。事實上，土壤中蘊藏的巨大微生物多樣性，被稱為地球關鍵元素循環(huán)過程的引擎，是聯(lián)系大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈物質(zhì)與能量交換的重要紐帶，維系著人類和地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
近30年來，隨著各種先進物理化學手段的出現(xiàn)，特別是高通量測序技術的指數(shù)式發(fā)展，土壤微生物學成為地球科學與生命科學的新興學科增長點和交叉前沿，蘊藏于土壤中的巨大微生物多樣性被認為是地球元素循環(huán)的引擎，而每克土壤中數(shù)以億萬計的微生物中，高達99% 的物種及其功能尚屬未知，因此被稱為地球“微生物暗物質(zhì)”。
這些海量的微生物與復雜的土壤環(huán)境總稱為土壤微生物組（Soil Microbiome），是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護等領域的核心資源之一，已經(jīng)成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地，得到了世界各國政府的高度重視。
土壤微生物組的功能
土壤微生物組是土壤中所有微生物及其棲息環(huán)境的總稱。土壤微生物組研究的核心內(nèi)容是特定土壤中微生物群落的協(xié)同演化規(guī)律及其環(huán)境功能。土壤微生物組的功能與人類生產(chǎn)生活中的基本需求（如糧食生產(chǎn)、環(huán)境保護和醫(yī)藥衛(wèi)生等）密切相關。
⒈土壤微生物組是地球上最重要的分解者，具有多重生態(tài)與環(huán)境功能。首先微生物是土壤-植物系統(tǒng)中生源要素遷移轉(zhuǎn)化的引擎，土壤中有機質(zhì)的分解與積累，氮素轉(zhuǎn)化（包括生物固氮）等過程無不與微生物的活動密切相關。這也是傳統(tǒng)土壤微生物學研究的重點，這些研究主要圍繞元素轉(zhuǎn)化速率、養(yǎng)分利用率、與相關土壤酶活性及功能基因的關系等進行。事實上，土壤微生物組決定了氮素轉(zhuǎn)化及其有效性，如生物固氮、硝化作用和反硝化作用的酶活性及其與相關微生物功能基因的關系等，在提高氮素利用率和減少氮肥施用的負面環(huán)境效應方面發(fā)揮了重要作用。然而，已有的土壤微生物組研究大多基于單個過程（例如硝化作用）及其相關微生物，只有從氮素循環(huán)全過程和其微生物組的角度來研究，才能掌握土壤中氮素轉(zhuǎn)化的全貌并制定相應調(diào)控措施。
⒉土壤微生物組是地球污染物消納的凈化器，通過生物轉(zhuǎn)化深刻影響土壤中污染物賦存的形態(tài)和歸宿，是土壤具有消納污染物功能的關鍵。對于有機污染物而言，通過微生物的代謝和共代謝過程，污染物得以轉(zhuǎn)化或徹底分解礦化。例如，通過穩(wěn)定性同位素探針技術已探明土壤中能夠降解多環(huán)芳烴的微生物群落，特別是發(fā)現(xiàn)一些尚未得到人工分離和培養(yǎng)的新型微生物類群，并在堆肥系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了降解多環(huán)芳烴的重要功能微生物組。這些研究有利于探索新的代謝途徑、發(fā)展更加高效的生物修復技術，并可通過微生物改造優(yōu)化為生物修復提供理論和技術支持。微生物代謝也會影響金屬和類金屬污染物毒性和生物有效性。比如，土壤中砷的氧化-還原和甲基化等過程主要由微生物驅(qū)動。通過添加有機質(zhì)可以改變土壤微生物群落、調(diào)控相關功能基因表達及其物理化學條件，從而提高水稻土中砷的生物甲基化，緩解砷的毒性或提高生物修復效率。
⒊土壤微生物組是全球變化的調(diào)節(jié)器，通過影響元素生物地球化學過程，在很大程度上影響溫室氣體排放與消納。土壤微生物組可能能夠促進地球增溫，如驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放，包括甲烷和氮氧化物。事實上，每年全球濕地甲烷排放量高達上億噸，而這些甲烷排放完全來自于微生物的作用。同時，溫度升高可在一定程度促進土壤微生物組的活性，加速有機質(zhì)的分解并向大氣中釋放更多的二氧化碳，形成全球升溫的正反饋。此外，全球氣候變化也可能促進植物群落更快地演化，改變凋落物的質(zhì)量和數(shù)量，進而影響地下食物網(wǎng)的結構和功能。土壤微生物組也是氮氧化物排放的重要來源。據(jù)估算，全球每年氮肥投入量高達上億噸，絕大部分氮肥以銨態(tài)氮的形式進入土壤后，必須在微生物的作用下才能完成氮循環(huán)維系地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。而這一過程中會產(chǎn)生大量的氧化亞氮和一氧化氮等溫室氣體并影響氣候變化。在不同時空尺度上，特別是全球變化的重要模型中耦合土壤微生物組，將能更加準確地估算溫室氣體排放量及其全球增溫效應，為發(fā)展更好的減排措施提供理論基礎。
⒋土壤微生物組是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)地上-地下相互作用的紐帶。土壤微生物組是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和生產(chǎn)力的重要驅(qū)動者，直接參與了植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個過程。共生固氮菌、菌根真菌和根際促生菌能夠直接增強植物獲得養(yǎng)分的能力。同時，土壤微生物能夠影響土壤養(yǎng)分循環(huán)過程，提高土壤養(yǎng)分的生物有效性，增加養(yǎng)分損失，間接改變植物養(yǎng)分的獲得量。雖然不少研究證明地下微生物在促進地上植物生長方面的顯著效果，但是由于理論和技術手段的限制，這一效果至今尚未在農(nóng)業(yè)上得以廣泛應用。進一步深入研究根系-微生物對話的信號基礎與氮磷轉(zhuǎn)化吸收、土壤-根系-微生物協(xié)同作用機制與氮磷生物有效性、氮磷高效利用的地上-地下生物功能調(diào)控與技術原理，可以有效解決上述理論和技術方面的瓶頸問題。充分利用這些知識，可以發(fā)揮土壤微生物組在改善植物營養(yǎng)、提高養(yǎng)分利用率和降低化肥施用量方面的作用。
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