通过Phytotechnologies恢复土壤和农业生态系统服务功能
Jacynthe Dessureault-Rompre- 魁北克拉瓦尔大学、土壤及农业工程系,QC,加拿大
Phytotechnology一直被视为一种工具来治理土壤污染。尽管phytotechnology通常定义为应用程序的科学和工程研究问题和提供解决方案,包括植物、实际应用远远超出恢复被污染的土地。本文旨在拓宽我们的思考方式phytotechnologies虽然强调这些生活技术如何恢复,保存和重新生成多个功能和土壤生态系统提供的服务,特别是在农业生态系统中。首先,土壤退化的主要问题在农业生态系统强调不久。随后,植物和它们的重要性生活根基的发动机恢复进行了综述。本文论述了土壤根系性状的筛选和功能恢复的重要性。它还表明,植物多样性和根一起四季不断是一个有效的土壤修复过程的重要组成部分。然后,phytotechnology工具箱包括三大支柱的农业生态系统恢复。三大支柱的农业实践和土地管理(1)根际生态强化工程(2)和(3)。本文还强调了发展的重要性有针对性的phytotechnology-based恢复策略由根功能和根际过程的知识。需要更多的工作来评估的潜在好处将phytotechnology-based恢复策略的谷物或蔬菜作物生产的大部分研究农业生态系统恢复策略是为了模仿自然的草原。
介绍
联合国已经宣布2021 - 2030年十年生态系统恢复,调用预防、制止和扭转生态系统的退化。农业生态系统是这些系统需要保护。这项工作提供了一个独特的机会土壤科学家和phytotechnologists一起工作对恢复可持续的陆地生态系统。
Phytotechnology,一个相对较新的领域,被定义为“应用科学和工程研究问题和提供解决方案,涉及植物”(1)。Mangkoedihardjo (2007) (2)后把可持续发展的理念到定义:“Phytotechnology应用科学和工程领域,关注植物的使用提供具有成本效益的、可持续的解决环境问题”。这些相当广泛的定义是从更著名的植物修复的概念,这也解释了为什么今天的文学仍然富于定义的术语phytotechnology修复被污染的土地。的定义给出了几个例子表1。
表1定义phytotechnologies遇到的文学。
植物用于phytotechnology众多,历史上一直把注意力更多地集中在植物对污染土壤修复的能力。例如,杨树sp。柳树sp.和十字花科sp. phytoextraction重金属(有8)。柳树sp.也被用于垃圾渗滤液的phyto-treatment (9与先前的石化活动()和植物修复的网站10)。因此,phytotechnologies的文献计量分析,Koelmel et al。(2015) (6)注意到,而文章包括植物修复这个词的比例自1999年以来一直稳步增长,比例相对较小的文章提到phytotechnology这个词。因此phytotechnology似乎underexploited的概念。本文回顾前面的定义来自联合国环境规划署(环境署,2003)和Mangkoedihardjo(2007)”的应用科学和工程研究环境问题和提供可持续的和具有成本效益的解决方案涉及植物和扩展它和他们的生活根”。这个扩展定义这个绿色技术开辟了新的视角和突显出植物,特别是植物根系和根际功能恢复至关重要贡献者,保护和再生的土壤生态系统的多种功能。
本文突出了退化农业生态系统中遇到的主要问题,强调了根和根际功能的重要性恢复退化的土壤。这时,一个phytotechnology工具箱提出了农业生态系统恢复的应用程序,以及如何加强根际工程和生态的整合研究这种工具箱会有利于可持续农业生态系统管理和弹性的未来。
失去了土壤退化农业生态系统的功能和服务
所描述的哈特菲尔德et al。(2017) (11)、土壤特性、功能和生态系统服务是相互关联的。土壤属性表示的基础功能和服务。反过来,土壤退化影响土壤性质和土壤提供的相关功能和服务。现代农业实践经常挑出土壤退化的原因(12,13)。的确,集约农业做法涉及合成化肥和杀虫剂,单一作物很少或根本没有返回的有机质,土壤裸露的长时间离开,又一次和不当使用重型机械的都受到干扰,降低或抑制了农业生态系统的自然平衡,有时几乎不可逆转的程度。因此,估计有1200万公顷的农田土壤退化每年损失(14)。土壤退化导致土壤功能不同程度的损失。农业生态系统退化的主要过程是物理、化学和生物(图1)。除了这三个退化过程,拉尔(2015)(12)包括生态退化在土壤退化过程中,指的是营养和水文循环的中断,净生物群落生产力的下降,营养和碳的损失,投入利用效率的下降,阻碍了污染物的变性。这个评论将集中在物理、化学和生物方面的土壤退化。
图1土壤退化农业生态系统。物理降解包括结构丧失、压实和侵蚀。这些问题与作物生长限制(限制层紧凑,曝气)和过度使用化肥来补偿。生物降解通常包括有机物和生物多样性的丧失与耕作强度和频率有关,可怜的轮作和土壤覆盖和大量使用农药。化学降解包括酸化、盐渍化和营养失衡通常大量使用肥料、灌溉用水质量差和强度的种植制度。
物理降解指的结构质量的损失通过压实土壤,侵蚀,最终沙漠化。30年前进行的一项全球土壤退化的研究估计,6800万公顷的农田土壤压实的影响(15)。土壤压实增加土壤密度和减少其孔隙度、主要macro-porosity,阻碍土壤功能,比如水渗透,根渗透,水和气体交换。作物生产力会严重降低土壤压实(16)。不仅水土流失导致土壤流失,但碳(C),营养,和杀虫剂。在全球范围内,农业碳侵蚀被估计为0.5±0.15 Pg C y1,与水侵蚀交付0.08±0.02 Pg C每年河流系统(17)。同样的研究评估损失的氮流失23-42 Tg y1在2.1 - -3.9,有机磷的损失Tg y1在12.5 - -22.5 Tg y和无机磷1(17)。农药通过土壤侵蚀损失取决于农药的分子特征,以及其他因素。例如,风蚀据估计从1941毫克公顷删除1y−1到3000毫克哈1y1著名的除草剂草甘膦及其降解产物aminomethylphosphonic酸(AMPA),根据土壤的初始负载(18)。水侵蚀可能导致更高的损失,从9753毫克公顷1y147 667毫克公顷1y1(18)。所有这些损失造成的土壤退化过程实质环境、经济和社会后果(12,14,19,20.)。
化学降解特点是酸化、盐渍化、营养不平衡,降低阳离子交换量(CEC),增加金属毒性浸出的不是吗3- n和其他植物必需的营养元素。盐渍化土地面积影响的在全球范围内,17%的土地和24%的灌溉土地被发现受人为影响盐渍化(21)。农作物产量直接影响土壤盐碱化导致的损失接近每年300亿美元的全球作物生产(22)。另一个例子是农业生态系统的污染中重金属化肥、农药、有机固体残,肥料,和废水,除了大气存款(23)。与重金属土壤污染可以减少土壤肥力,修改微生物过程,如碳矿化和氮转换,并降低作物生产(23)。土壤肥力食品和水的安全是一个重要的组成部分,和日益增长的压力,增加食物、纤维和燃料生产,以满足全球需求,实现零饥饿带来了严重的压力土壤资源(11,24)。从农业系统碳和必需营养素的损失导致缺乏营养食物供人类食用。这些损失只会增加作物管理是加强取代失去生育能力,加剧了问题(25)。加强作物管理还包括增加使用杀虫剂已与硝化细菌,减少N2解决细菌和固氮酶活性(26),这可能会有重大的和消极的对土壤肥力的影响。
生物降解主要是指过程导致有机质和土壤生物多样性的丧失。土壤有机质(SOM)和碳(SOC)是许多土壤生态系统功能和服务的中心。这种损失因此严重影响农业生态系统的性能而言,作物生产力、碳封存,营养和水的可用性和生物多样性。全球土地利用和土地覆盖的变化导致了巨大损失从土壤的碳(27)。史诗出版,Sanderman et al。(2017) (27)估计,农业土地利用导致的累计损失∼133 Pg C从地球。作者郭和吉福德(2002)(28)观察到一个荟萃分析土地利用变化的自然草地或森林种植制度减少了土壤有机碳股票40%至60%。这些损失的直接后果是农业活动,如耕作、施肥、和生物量变更、修改的碳(C)、氮(N)和磷(P)池和通量,原本存在于本地生态系统(29日)。同样,土壤生物多样性的丧失已经密切相关土壤有机质损失和其他土壤健康相关问题(30.)。农药的广泛使用也导致减少生物多样性(31日)。同样地,土壤生物降解破坏了食物链,反过来影响养分和碳循环和病原体的控制(32,33)。此外,退化农业生态系统被发现对丛枝菌根有负面影响,蚯蚓和microarthropods (34)。为例,积累相关农药在农业生态系统减少微生物功能多样性(35),农药的使用,尤其是有机磷,已被证明产生负面影响的总蚯蚓群落生物量和密度(36)。
恢复土壤在农业生态系统功能和服务:植物根际的视角
土壤修复一直是许多文学评论的话题。当相关的农业生态系统,这些评审通常集中在土壤管理措施,包括减少耕作,将有机修正案,并返回作物秸秆(37,38)。其他评论还包括更广泛的实践,如绿肥、轮作、和农林复合经营系统(39,40)。然而,很少有研究从植物根际土壤修复的视角。虽然土壤修复和保护之间的区别并不总是定义良好的农业生态系统,本文对土壤修复,旨在恢复和维持最佳的土壤功能,而不是土壤保护,根据定义的组合管理和土地使用方法(主要减少耕作、覆盖土壤和作物轮作多元化),维护土壤对消耗或恶化的自然或人为因素(41)。土壤修复,这意味着复苏或近似回到自然状态,理想情况下应受自然本身。农业生态系统曾经天然草原、森林、或泥炭地的特点是一种动态平衡状态在一个社区的生物体,包括其中,植物多样性,根多样性,一个关联的根际土壤食物网。修复实践中实现退化农业生态系统必须把灵感来自这个原始的动态平衡状态。
根的力量
根是保持和恢复中心物理、化学和生物条件在土壤中。他们也驱动功能的根际微环境发现根之间的接口,土壤和土壤生物群。探索土壤,并利用其资源。高等植物的根的塑造地下的陆地生态系统的多样性和提供的大部分碳土壤生态系统(42)。在下一节中说明根是土壤修复的强大动力。
根和土壤物理修复
结构和压实
植物根系对土壤的物理性质产生重大影响(43,44)。一些形态学特征(例如,根长度、特定的根长和根直径)也与土壤稳定性(45,46)。虽然土壤结构会影响根分布在土壤、植物根系能够改变土壤结构,以适应他们的增长(47),也因此在身体恢复退化的土壤发挥重要作用。事实上,植物根系影响土壤物理性质通过多种机制,包括直接渗透和安克雷奇(48),修改水可用性(49),重组土壤孔隙结构(50),释放分泌物(51通过他们的协会),改变土壤结构与菌根(52)。此外,植物采用不同的策略来适应土壤压实,如改变根长度和直径(53- - - - - -57)。整合多年生深根植物,容忍高土壤贯入阻力和低浓度氧气的旋转序列可以帮助修复土壤结构,提高土壤渗透性和曝气(58- - - - - -61年)。增加植物物种的多样性,可以提高土壤团聚体稳定性(62年)。通过改善土壤物理状况,这种策略也可能导致更高的生产率在随后的作物(63年,64年)。
侵蚀
所提供的保护,植物根系对土壤侵蚀是众所周知的(65年- - - - - -69年)。Gyssels et al。(2005) (65年)表明,减少水侵蚀率随着根质量指数和突出显示根在控制这个退化过程的重要性。Zuazo和Pleguezuelo (2008) (67年)也强调了根的作用在控制侵蚀过程,强调他们如何有助于改善土壤性质,如土壤聚合,结构稳定,土壤颗粒之间的凝聚力。摘要回顾Ola et al。(2015) (68年)展示了根系统架构的重要性在控制土壤侵蚀和插图的关键机制,植物根系影响土壤物理性质:抗剪强度增加,身体保持土壤颗粒,增加聚合,提供额外的有机物质,和改变孔隙大小分布。在一项研究紫色苜蓿黄土土壤,李et al。(2017) (66年)发现根的物理缠绕的主要因素参与减少水土流失和根表面积密度可以被视为关键指标的变化在壤土土土壤侵蚀抵抗。最后,郝et al。(2020) (69年)表明,植被恢复改善许多土壤物理性质(土壤noncapillary孔隙度、聚合稳定性和抗剪强度),减轻水土流失的关键,根的功能特征,特别是细根,在这种关系中起到了重要的作用。作者建议恢复方法使用所需的根系性状的物种可能是一个有前途的工具来控制土壤侵蚀。
根和土壤化学修复
盐度
在干旱和半干旱地区,降水可能没有足够的盐从根际渗出,导致有毒的环境对大多数栽培植物。盐生植物原生植物,可以容忍或利用氯化钠浓度高盐碱土壤的土壤水分(70年)。盐生植物被大量研究的主题旨在恢复盐碱土壤(71年),吸引了世界各地的关注作为一个潜在的人类的食物来源,饲料、油籽、蛋白质、和能源(72年)。这些植物在土壤交换性钠可降低和可溶性盐浓度通过吸收根和生物量的积累。根相关流程salinity-affected土壤修复的迄今为止有关根渗出液,细胞外酶的生产和改变根架构(73年)。摘要回顾附近潘塔et al。(2014) (72年)报道,某些种类的植物移除t ha在0.66和6.35之间1一个1生理盐水。盐生植物也被用作与西瓜间作作物(74年),棉花(75年),玉米(76年),和许多其他作物,如审核(77年)。然而,直到现在,大多数的研究间作与盐生植物已经完成在温室条件下,成功和不成功的响应(77年)。进一步研究田间条件下将是必需的。尽管如此,与盐生植物间作棉花已被证明会降低土壤含盐量和容重,增加土壤孔隙度,土壤有机碳、根系生长、地上部生物量,和棉花产量,相比与传统的单一系统(75年,78年)。结果因此承诺的现金作物产量和质量,主要由于盐生植物的影响恢复足够的土壤条件。
生育能力
众多研究表明,土地利用的变化从自然草地和森林密集年度种植制度改变土壤肥力降低碳、氮和磷股票(79年- - - - - -81年)。然而,越来越多的证据表明,可以恢复退化土地而剩下的生产(82年)。这种修复的核心是常年粮食和饲料的公司长旋转(24,83年)。多年生植物,有更高的root-to-shoot比(24)、高根生物量产量(84年- - - - - -86年),和更高的root-associated C输入通过分泌和营业额(87年,88年)可以改善土壤性质与土壤肥力密切相关,如土壤聚合、储水、微生物生物量和多样性。此外,众所周知,多年生植物更好地利用氮,作为他们的更深入、更广泛的根系统优化无机N和P保留在土壤中,从而减少这些元素的浸出(81年,89年- - - - - -92年)。此外,一些物种为N保留,把地下的生物质,如在根茎的生长季节(24)。进一步对这个四季不断恢复土壤肥力的概念多样化的概念。在23年的调查植物生物多样性和土壤肥力,弗瑞和Tilman (2021) (93年)发现,相对于单一栽培的同一物种,情节包含16个多年生草地植物物种大约30%到90%更多的氮、钾、钙、镁和土壤中的碳,除了更大的阳离子交换容量。他们还报道,增加植物功能多样性有助于恢复土壤肥力。作为生物多样性执行关键生态服务,适当的方法实现时间和空间有助于重建农业生态系统能够维持土壤肥力,作物健康和生产力(94年)。此外,选择开发根毛的物种可能有助于恢复过程,因为这些植物尤其有效地获取固定或少可溶性营养除了性能在干燥的土壤条件(95年)。最后,植物根系分泌物起到关键作用在形成重要的根际和调节养分循环恢复土壤肥力。例如,元et al。(2022) (96年)观察到一个孵化研究使用低肥力土壤,根分泌物的类型(有机酸或碳水化合物)影响不同的N矿化N固定利率。有机酸不仅与高plant-available N比碳水化合物补充(96年)。更多的研究与根分泌与土壤肥力的恢复都需要植物和土壤条件会影响占主导地位的分泌物释放,因此它对营养的影响可用性。
根和土壤生物修复
土壤有机质
在一个高度认可的研究中,麝香猫et al。(2005) (97年)问简单的问题:土壤碳主要是根碳呢?在这一过程中,他们开始讨论和利益的重要性根结构和功能在控制土壤C循环。植物根系的确大大有助于形成稳定的SOM,在不同程度上取决于他们的特征,在土壤C封存(98年)。事实上,它已经表明,根分泌增加OC的土壤将部分消耗由微生物和部分稳定mineral-associated SOC (99年)。此外,根头发的角色在这个过程中一直在强调Zhang et al。(2020) (One hundred.)。农业实践负责SOM的急剧减少(27)。本机陆地生态系统的两个主要原因含有更多的SOM比农业生态系统,生成更大比例的原生生态系统生产力在多年生根系在地下,这些系统的土壤保持相对安静的(101年,102年)。人员和拉姆齐(2017)(101年)审查方法重建SOM在农田和表示,从年度多年生作物转移至关重要,“多年生植物解决问题的根源”。从年度转向常年粮食作物可能是最有前途的方法对农业方法SOM水平,积累在当地的生态系统,和工作人员和拉姆齐(2017)(101年t ha)估计在0.13和1.70之间1y1SOC可以积累领域转化为多年生谷类。事实上,研究表明,高地下的碳资源配置,减少土壤扰动促进perennial-based SOM的累积生态系统(103年,104年)。就像主张肥力恢复、生物多样性也根本改善SOM (105年- - - - - -107年)。杨et al。(2019) (106年)从长期田间试验得出结论,恢复late-successional草地植物多样性加速年度碳储存,并指出提高土壤碳储存利率都与更大的根生物量和地上生产。在另一个长期田间试验探索草地多样性,兰格et al。(2015) (107年)报道,土壤碳存储是由土壤中的微生物的代谢活动,刺激的植物多样性,确保大根输入通过根分泌。在他们的实验中,然而,豆类被发现影响土壤碳浓度。在chronosequence实验中,刘et al。(2019) (105年)观察到植物物种多样性增加社会生产力和提高根生物量和根际土壤中碳的输入,增加土壤碳储存和其他反过来改善土壤性质,如土壤渗透能力,通过影响土壤团聚体稳定性和孔隙度。
生物多样性
植物多样性是生物多样性研究土壤的一个重要决定因素(108年)。提高作物多样性在空间(例如,间作)或时间(例如,轮作或覆盖作物)已被证明是有益的对生态系统的影响过程。因此被更加关注植物多样性对土壤生物多样性的影响。文特尔et al。(2016) (109年)观察分析,土壤下旋转产生的作物多样性高微生物丰富(+ 15.11%,n = 26)和多样性(+ 3.36%,n = 43)分数。在一个长期的实验中,scherb et al。(2010) (110年)研究了植物多样性如何影响上面的丰富性和丰富的和地下的生物。他们发现,在这两种情况下,食草动物的反应更强烈的变化比食肉动物或植物多样性杂食动物。肉食性类群的密度和丰富性是独立于植被结构,但增加植物多样性减少生物入侵病原体侵扰和重寄生。Eisenhaeur et al。(2013) (111年)观察到更大的植物多样性土壤pH值,增加土壤N浓度、土壤含水量、根生物量和植物,增加土壤微生物生物量和密度微,mesofauna腐食者。此外,植物物种丰富度可能引发土壤分解者食物网通过增加水平的rhizodeposition,尽管这个特定的参数并没有直接测量的研究。进行了一项荟萃分析Zhang et al。(2022) (112年)表明,动物(p = 0.009)和多样性(p = 0.076)和植物物种丰富度增加,对食草动物与一个特定的影响。他们的研究还强调了时间因素在土壤动物区系的反应植物多样性和强调的重要性等土壤动物生态系统功能分解和土壤的形成。在使用dilution-to-extinction方法的一项研究中,杨et al。(2021) (113年)对环境变化是观察到弹性更大的土壤生物多样性和植物多样性高,减少生物多样性强烈影响生物质生产的稳定性。重建生物多样性在multitrophic级别(植物和土壤)因此恢复生态系统功能的关键。生物多样性的变化常常观察到在高植物多样性与较高的微生物生物量、真菌、呼吸和总N矿化,这些都有助于提高生态系统生产力(114年)。虽然大部分的植物物种丰富度已被研究过植物的数量而言,许多问题仍在多大程度上观察到不同物种之间的相互作用推动积极作用(115年)。为此,et al。(2019)(他115年)研究了根系性状(特定的根长、根长密度、根组织密度,和深根分数)解释时间的变化在草原生物多样性的混合物。他们观察到的积极作用增加物种丰富度在社区生物量干一年主要是增加深根的优势物种的结果,支持生物多样性的保护作用的假说。结果根特征还回荡在土壤食物网研究(116年- - - - - -119年),植物多样性和根特征已被证明超过生产率产生影响,因此有一个重要的作用在任何土壤修复过程。
从根到Phytotechnology:表示的phytotechnology工具箱农业生态系统恢复
上面的部分根源特质的重要性和土壤修复的功能。它还表明,植物多样性和根一起全年是一个有效的土壤修复过程的重要组成部分。改善土壤和农业生态系统服务功能与一组工具可以实现基于植物的巧妙使用。下面的小节提供一个phytotechnology工具箱农业生态系统恢复、健康和可持续发展,是基于三个主要支柱农业实践和土地管理,根际工程和生态强化(图2)。
图2phytotechnology工具箱:从根和根际农业生态系统服务功能。密集的单一导致土壤退化。增加植物根茎多样性和植物全年农业和农业生态系统尺度上改善土壤性质、土壤,因此相关农业生态系统服务功能。phytotechnology工具箱是基于三大支柱。1)农业和土地管理:multispecies覆盖作物间作,多年生作物的旋转包括生物能源作物、农林和vegetalized缓冲区。2)根际工程:有机修正案、接种和选择基于根的植物物种的特征和功能实现一个特定目标(提高土壤肥力吗?、土壤生物学吗?,soil physical conditions?). 3)生态强化:越多越好,把农场规模有益农业实践。增加农场和农业生态系统尺度的整合三大支柱中phytotechnology工具箱将好处退化土壤的可持续性,提高粮食产量。
覆盖作物和间作
覆盖作物间作和生活覆盖物是众所周知的和研究农业实践(120年,121年)(图3)。通过植物根和根际的机制功能,这些做法已经观察到改善土壤结构(122年,123年)、碳封存(124年,125年),N和P生育(126年,127年)和土壤生物多样性(128年,129年),除了减少侵蚀(130年,131年)。例如,特定覆盖作物被用来增强土壤生物增加后续作物的产量(132年)。生活覆盖物经常被研究了蔬菜作物生产的背景下,它已被证明提供许多好处(133年- - - - - -135年)。phytotechnology工具箱,覆盖作物和间作/生活覆盖物可以提高农业生态系统的多样性和四季不断。Multispecies覆盖作物或间作越来越被研究在可持续农业实践的上下文(136年- - - - - -138年)。尽管一些研究没有发现改善与单作相比multispecies覆盖作物(139年),芬尼和凯(2017)(137年18),在2年的一项研究中覆盖作物治疗范围从1到8的物种多样性,报道增加N保留使用multispecies覆盖作物和杂草的抑制和得出结论,最大化功能多样性可以提高农业生态系统的多功能性。萨利姆et al。(2020) (136年)描述了如何覆盖作物多样性提高建筑特征根和根覆盖除了土壤属性,如土壤骨料粒度的复合类、营养以及SOM和SOC含量在土壤深度。他们得出结论,丰富社区的植物根系之间的竞争可能会改善根际土壤碳储存、土壤骨料粒度的复合类和营养。与多年生作物间作土壤也被证实是有益功能,如营养收购,以及微生物丰度和多样性(140年- - - - - -142年)。
图3与苜蓿的秋葵套种。图片来源:Jacynthe Dessureault-Rompre。
农林复合经营
伍迪物种的协会与农业生产长期以来被公认在许多文明作为可持续农业的重要组成部分(143年)。当适应作物和有利的环境条件下,一个农林复合经营系统,腐殖质的供应和垃圾和树木的根系,能提高作物的根系的土壤条件(144年)。通常情况下,有一个明显的有机质和氮的增加,生物营养物质从土壤深层的视野,和增加菌根的存在。其他值得注意的好处是减少水和风蚀,改善土壤结构,提高孔隙度、酸度和盐度降低,增强土壤生物活性。农林复合经营农业系统通常表现出更大的微生物生物量和蚯蚓种群,由于有机质的输入树(145年)。的树组件农林复合经营系统是提供营养通过各种机制:1)减少养分损失通过捕获系统(或安全网)(146年,147年);2)添加“新”通过N营养2固定和增加深度土壤养分(148年);3)诱导形态和化学变化在根际层面通过根系活力和可塑性(149年)。评论写的Udawatta et al。(2019) (150年)表明,植物,动物和土壤微生物多样性显著高于单作系统相比在农林复合经营系统。在土壤生物、丛枝菌根,细菌和酶水平明显高于在农林复合经营系统。农林还创建了高密度生物多样性(包括不同的根际营养级)集中在靠近树由于有利的soil-plant-water-microclimate条件。随着系统的成熟,均匀分布的树叶、垃圾、根,和死/活着的生物材料和小气候改善在相邻的农作物和草场地区土壤和小气候。最后,在农林复合经营系统中,根系的潜力为吸收和土壤碳转移到非常高。一些树根系扩展到60米的深度,对土壤碳的贡献是十分显著的。农业植物的根相比,树根是粗糙和木质化的,所以分解缓慢得多。树根系生长的动力学,更新和分解今天仍然了解甚少,然而,大多数研究在这些系统关注碳碳通量在前40厘米而不是整个根系封存。尽管如此,最近的一项荟萃分析在温带农林复合经营系统表明,碳封存碳储量较高的地区在农林复合经营系统与传统的系统相比,森林,灌木篱墙比巷种植和silvopastoral系统更高效,和丘陵山地树执行比针叶树在增加土壤碳储量。再次在这里,然而,这项研究只关注碳通量和没有考虑整个根系(151年)。
营养缓冲区
缓冲区是自然区域和农业生态系统之间的接口,包括草本,花卉和木质的植被(152年)。虽然不是作为土壤修复实践本身,缓冲区被写入phytotechnology工具箱,因为他们可以通过提高效益农业生态系统生物多样性,去除污染物,作为碳汇。研究植被缓冲带(也称为河岸带)表明,增加植物多样性可以提高线虫食物网结构,增加总微生物生物量,减少土壤中N和P加载(153年,154年)。氮去除的植物人缓冲区也观察到梅耶尔et al。(2007) (155年),他指出,缓冲区宽度、土壤类型、地下水文(如土壤饱和,地下水径流路径),和地下生物地球化学(有机碳供应,硝酸输入)都是重要的考虑流域氮管理。除农药也被观察到河岸缓冲带邻免耕作物(156年)。最后,观察碳封存在牧场恢复河岸(157年)。相比其他作者木本草本缓冲区和得出结论,林地和杨树缓冲区有更高的潜力增加C股票(158年,159年)。因此,根据营养缓冲和网站的特点,这种phytotechnology策略可以提供多种服务的生态系统。
常年生物能源作物
生物能源作物生产在退化或边际土地一直是许多研究的主题(160年- - - - - -162年)。生物能源作物已经发现适合使用土壤修复(163年),改善土壤健康和导致碳封存(164年)由于土壤干扰最小。此外,他们通常有较低的外部输入需求(165年),可以提供连续碳输入根和落叶(166年)。事实上,实验证据表明SOM积累在常年生物能源系统可能比地上部生物量产量抵消更重要的化石燃料的使用(167年)。植物根系性状如高分泌和深根也会增加潜在的土壤C封存(168年)。虽然大多数生物能源作物的工作都集中在单一文化,这可能对生物多样性产生负面影响(169年),尽管被遗弃和退化的土壤可以成为入侵植物物种的繁殖(170年),是一个新兴的兴趣与生物能源作物间作(171年,172年)(图4)。尽管明显的根和微生物特性的重要性在决定生物能源的可持续生产力种植制度,小的注意力都集中在地下的特征(173年)。生物能源作物有许多商店,农场覆盖物和床上用品等(174年),修正案(175年),生物炭(176年),生物塑料(177年),它被用于可持续生产的循环经济。整合与覆盖作物生物能源作物在农场被认为是一个现实的战略来恢复和保护耕地有机土壤(178年)(图5)。
图4柳树字段与红三叶草套种。图片来源:Jacynthe Dessureault-Rompre。
图5芒草生产有机土壤退化。左上:芒草字段;右上:芒草根概要;左下:碎芒草的现场应用;右下角:增长的绿色洋葱芒草修改有机土壤:图片来源:Jacynthe Dessureault-Rompre。
根际土壤修复工程和生态强化
除了农业和土地管理,两根际工程和生态强化提供绿色和访问方法恢复退化农业生态系统中根和根际功能发挥核心作用。这两个概念可以集成到phytotechnology工具箱(图2)。
根际工程,是三个轴的操纵一个或多个根际的土壤,生物,植物根部,以模仿自然进化的互利互动之间的土壤,植物和土壤生物(179年)。在根际工程已经完成了大量的工作,许多研究都集中在土壤改良剂,接种,和植物代谢工程,以提高农作物产量和作物弹性与非生物或生物压力(179年- - - - - -182年)。例如堆肥和生物炭已经多次证明改善土壤物理、化学和生物条件有积极的对农作物产量的影响(183年,184年)。接种菌根,令细菌促进更好的生物学性质相关的园艺作物的根际土壤干旱胁迫下(185年,186年)和相关改进的增长在边际土地条件(187年)。植物的工程在过去30年里已经受到了相当大的关注,特别是基因工程技术的发展,导致转基因植物抵抗一些昆虫或宽容的一个或多个除草剂家庭或容忍高金属浓度(179年)。回顾作物野生相对,特别是这些野生亲缘越来越认可的根源来维持粮食生产在一个变化的世界(188年,189年)。更简单,根际可以有效地设计通过选择一种植物或一组植物为一个特定的目的,例如,包括一个旋转豆科作物,提高N生育或者选择草植物的根生物量高产量提高固碳进入土壤。根际土壤工程申请恢复目的仍在起步阶段,因此科学的世界等待绽放的机会。
生态强化最近提出的方法将生态过程集成到土地管理策略来提高生态系统服务交付和减少人为输入(190年)。自然生态强化旨在结合设计多功能农业生态系统和农业都是“持续的自然和可持续的自然”(34,191年)。土壤修复的目的,整合生态强化的原则可以繁殖的机会增加生物多样性在一个农场或一个农业生态系统的规模。这些增加的生物多样性将经历的增加和土地管理在农业实践图2这些相同的尺度。设计一个可持续发展的农业生态系统与phytotechnologies意味着考虑上述三大支柱和提出图2。
设计与Phytotechnologies可持续农业生态系统景观
农业生态系统修复应考虑用于粮食生产之外的用途(192年)。本文讨论的phytotechnology工具箱包括各种管理选项恢复土壤农业生态系统所提供的功能和服务。管理策略可以在领域层面,实现集成,但潜在的好处是增强不同phytotechnology工具在农场和景观尺度。如上所述,Asbjornsen et al。(2014) (82年),在过去的一个世纪里,全球越来越多的农业景观管理生产粮食的主要目的。然而,农业生态系统应该设计将附加服务。增加生物多样性在时间和空间和结合地区战略位置的多年生植物(如上面所讨论的:覆盖作物间作,植物人缓冲区,常年生物能源作物,以及农林)在农业景观可以代表一个机会交付更广泛的商品和服务社会,包括水净化和水文调节、授粉,害虫和病原体的控制,不同的食物和燃料产品,优化的养分循环、碳封存和更大的弹性,气候变化和极端干扰(图4)。Ferrarini et al。(2017) (193年)进行了一次彻底的审查多个生态系统服务提供和生物质生物能源物流管理缓冲区,他们提出了一个土地使用场景生物能源作物的农场和景观尺度。边际土地的场景提出了转换生物质生产或自然区域的景观。本文中给出的phytotechnology工具箱允许更进一步的方式设计可持续发展的农业生态系统。
本文提出了phytotechnology工具箱恢复退化的土壤和设计可持续的农业生态系统,从根的特征和功能,然后根际工程集成和土地管理与生态集约化农业实践。通过增加植物多样性和四季不断,通过根系性状的多样化和根际功能,土壤可以支持可持续农业生态系统恢复图2)。
结论
植物根系和根际相关函数phytotechnology-based恢复系统的基础。涉及物理、化学和生物土壤退化、综述表明,植物多样化,在时间和空间,全年与根际工程和生态强化策略应发挥基础性作用在任何修复计划。实施策略旨在多样化和全年的农场和农业生态系统水平可能导致经济复苏的最佳土壤和农业生态系统服务功能。许多研究phytotechnology-based农业生态系统恢复策略是为了模仿天然草原,虽然本文中给出的长期研究提供了坚实和发人深省的信息,需要更多的工作来评估的潜在好处将phytotechnology-based恢复策略的谷物或蔬菜作物生产。此外,尽管全球生态系统恢复的关注逐渐增加,有一个不幸的缺乏兴趣恢复退化农业生态系统的可持续发展。此外,必须超越一般植物应用及进一步的研究集中在发展有针对性的phytotechnology-based恢复策略基于根功能和知识的根际过程,恢复土壤的终极目标和农业生态系统服务功能,确保农业可持续发展和弹性。
作者的贡献
作者证实了这项工作的唯一贡献者和已批准出版。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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关键词:根际、根、土壤功能、土地管理、土壤修复、农业生态系统,phytotechnology工具箱
引用:Dessureault-Rompre J(2022)通过Phytotechnologies恢复土壤和农业生态系统服务功能。前面。土壤科学。2:927148。doi: 10.3389 / fsoil.2022.927148
收到:2022年4月23日;接受:2022年6月23日;
发表:2022年7月13日。
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