为了研究土壤与生态系统，研究人员在实验室、田间和受控环境之间进行循环实验。
对于查尔斯·达尔文（Charles Darwin）来说，1881年可能是个不太愉快的一天，当时讽刺杂志《Punch》刊登了一张他的漫画，他愁眉苦脸地坐在户外，旁边放着一本书，面前悬浮着一只巨大的蚯蚓。正如科罗拉多大学生态学家诺亚·菲尔（Noah Fierer）所指出的，达尔文关于蚯蚓的书籍像《物种起源》一样成为畅销书。达尔文在书中写道，挖洞和犁地的蚯蚓已经破坏了巨石和古老的墙壁，“可以怀疑是否还有其他动物在世界历史中扮演了如此重要的角色，如这些低等有机生物一样。”对蚯蚓的浓厚兴趣不仅仅是维多利亚时代的一种情结。“我对蚯蚓对土壤、其生物物理结构和功能过程的影响深感兴趣，”来自英国兰卡斯特的英国生态与水文中心（UK Centre for Ecology and Hydrology）的土壤生态学家艾丹·基思（Aidan Keith）说道，该中心是位于英国各地的非营利性研究机构。与来自35个国家的近150名研究人员一起，基思制作了一个全球范围的蚯蚓分布图册。他表示，这些看似简单的动物在很大程度上负责动态地塑造了多个生态系统的土壤。土壤中孕育着各种生命：蚯蚓和线虫，螨虫和蚂蚁，细菌和真菌。荷兰生态学研究所（NIOO-KNAW）的土壤与生态系统研究员威姆·范德普滕（Wim van der Putten）表示，一杯土壤中大约有5000种生物种类。土壤具有物理和化学特性，这是传统的土壤科学领域，他说，而土壤生态学家更专注于土壤生物。然而，现实情况正在改变这些划分。研究人员以本地和全球的思维方式结合新旧方法，对土壤特性、植物-土壤相互作用、生态系统动态以及如何减轻造成的损害进行表征。气候变化给社会和政策制定者带来了“迅速找到解决方案”的压力，法国国家科学研究中心（CNRS）运营的蒙彼利埃欧洲生态盆地的亚历山德鲁·米尔库（Alexandru Milcu）表示。他还隶属于功能与进化生态学中心。在荷兰和比利时，密集的农业、汽车尾气和工厂排放物导致土壤富集了氮元素，荷兰生态学研究所（NIOO-KNAW）的土壤与生态系统研究员西斯卡·芬（Ciska Veen）表示。土壤在酸化，这导致了森林的死亡。鸟类出现了钙缺乏症，使得它们的蛋和骨骼变得脆弱。欧洲联盟要求其成员国解决这些问题。“大自然真的正在受苦，”她说道。
土壤生物多样性
芬（Veen）和她的同事在实验室小瓶、温室、小规模和大规模的受控环境以及田间进行实验。与海洋微生物群落一样，宏基因组分析也被应用于土壤分析。但是米尔库（Milcu）表示，与海洋相比，由于土壤比海洋更加异质，所以土壤的分析更加困难。研究生态系统需要进行长期观察、干扰和数据收集，“因为从短期干扰发生的情况来进行概括是非常危险的。”需要对不同生态系统中的生物搅动进行系统量化和理解。在今年的全球土壤生物多样性会议上，基思（Keith）主持了一个关于这一知识空白的会议，他和其他人正在建立一个专注于这个问题的研究集体。一个捕捉土壤生物多样性的方法是从许多地点评估大量的样本。在不同的生物群落中，研究人员可能会统计典型和非典型的生物种类。然后，为了进行比较和推断，“背景是关键”。米尔库说，功能指标也已使用。芬表示，这是关于“谁在土壤中，它们在做什么”。发现可以来自各种尺度的评估，这可能涉及养分通量和水循环、碳储存和温室气体排放。不同的土壤生物多样性指数存在，因为科学家仍在决定什么最适合预测生态系统功能。功能分析非常耗时。物种数量通常可以指示生态系统的健康和功能。科罗拉多州立大学的生态学家戴安娜·沃尔（Diana Wall）表示，多年来一直在为土壤生物学的标准不足感到惋惜，这已经引发了一系列活动。她共同主持了全球土壤生物多样性倡议（GSBI），该倡议旨在整合有关土壤生物多样性和生态系统的研究结果。GSBI与一组观测站联系在一起；全球土壤生物多样性观测网络（SoilBON）就是其中一个，戴安娜·沃尔与德国综合生物多样性研究中心（iDiv）的卡洛斯·格雷拉（Carlos Guerra）共同主持了该网络。GSBI的一个项目正在评估全球900个站点的土壤。从众多的土壤样本中，iDiv团队提取线虫并将它们运到科罗拉多，戴安娜·沃尔和她的团队统计线虫的数量，并确定它们在土壤食物网中的角色。“我们会逐个进行分离，仅仅从形态上区分，”戴安娜·沃尔说。线虫的嘴部结构显示了它们的饮食习惯。一些线虫吃细菌，另一些吃真菌；一些是捕食者，另一些是杂食动物。质谱法可以用来了解有多少碳或氮通过这些生物进入土壤。加入分子数据、其他全球范围的数据，这种土壤分析就变成了全球生态系统分析。
实验室、小型盆栽、田间
“我们试图从田间到实验室、温室，然后再回到田间这个循环，”范德普滕说。芬表示，较小的尺度可以控制并精确操控特定因素。“如果你想解开某个因素的影响，这非常有用，”她说。将田间的土壤样本带到实验室，土壤的分层结构会消失，从而无法研究土壤物理如何塑造水分的运输。最好的方法是在有层次结构的土壤中进行研究，以研究生存物种之间的相互作用。
爱达荷大学的迈克尔·斯特里克兰德（Michael Strickland）说，在土壤科学中，“我们通常会使用PVC管和胶带来进行田间实验。”在称为生态箱的受控空间中，可以是露天或密封的环境，精密仪器会持续测量土壤排放的气体，如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。米尔库表示，物理学领域拥有设备密集的设施，但生态学方面相对较少。实验室气候箱中的快速实验通常足够了。生态箱的使用成本更高，时间更长，但可以为小规模研究提供生态系统层面的背景。
基思希望在田间了解蚯蚓的行为、活动和影响，田间的环境条件控制较少。他说：“我们不能在没有改变的情况下重新采样相同的地点。”因此，田间工作应该与离位实验系统相结合，以便研究人员可以量化和模拟事件并改变条件。他对新兴的方法感到满意，这些方法可以表征蚯蚓的挖掘和土壤孔隙度。米尔库表示，非侵入性测量方法（如基于断层摄影术的技术）来评估土壤微生物的方法还处于早期阶段。但这种评估可以形成有关蚯蚓可能如何改变土壤孔隙度的发现。他说：“实际上，目前在文献中存在着一个很大的争议。”根据一项荟萃分析，蚯蚓的活动可能会刺激诸如二氧化碳和一氧化二氮等温室气体的排放。米尔库表示，他通常喜欢荟萃分析，但现有的数据可能会引入偏见。他和同事深入研究了这一发现，并发现分析的研究主要涉及在黑暗中保持恒定土壤湿度的小盆中的实验，没有植物。“这是极其不自然的，”他说。在更长时间范围内完成的生态箱实验显示，蚯蚓的活动实际上可能会降低土壤排放。这可能是由于这些时间范围内的土壤湿度变化，他说，“你无法在一个小小的盆栽中以真实的方式再现这种变化。”
进入“tron”
特别是在长期研究中，改变的田间条件可能会阻碍寻找模式和解开机制，米尔库说。生态箱（Ecotrons）的受控环境不是唯一的选择；简化的模型系统可以很好地进行扩展。然而，现实不能过于简化，“因为我们观察到的可能不具有普适性，或者可能不太容易扩展。”
芬说，生态箱仍然“不是真实世界，但它们已经非常接近真实世界了”。在生态箱的土壤中，科学家可以测量和操控物种之间的相互作用，并进行具有重复性的土壤科学实验。沃尔表示，在接近真实条件下，生态箱提供了避免田间工作中众多混杂因素的方法。全球南方许多研究人员可能无法获得生态箱的使用权，但是一项资助可以帮助他们获得使用权，合作和信息交流可以帮助所有人从在大规模和小规模情境下进行的实验中受益。
全球范围内，生态箱设施有限。建设和维护成本昂贵。不是所有科学家都能使用生态箱；赶赴生态箱在逻辑上是具有挑战性的，需要时间和资源，芬说。“每种方法都有其优缺点，这就是为什么我们也同时使用所有方法，”她说。荷兰生态学与水文学中心（NIOO-KNAW）已经建立了一个包含粘土、沙土和泥炭的60个土壤生态箱，这是荷兰三种主要的土壤类型。研究人员从不同地区取出了60个直径为一米，深度为一米的带有完整层次的土壤核心。“现在我们在上面进行各种操作和测量，”她说。
在一篇综述中，米尔库和同事描述了欧洲、澳大利亚和美国的13个生态箱。在他所负责的蒙彼利埃设施中，氧气和主要温室气体（如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮）的通量会自动测量。宏观系统是20立方米的12个单位，具有受控的大气条件和高达2米深的土壤；中等规模系统是4立方米的18个单位；微观系统是2立方米的13个单位。宏观和中等规模系统的透明圆顶可以透光。微观系统则使用等离子灯或LED。在该设施中，实验人员可以跟踪光合作用、呼吸或微生物活动等事件，并使用光学激光器、红外系统和便携式气体交换系统来获取生态生理数据。通过使用13C标记的二氧化碳，他们可以跟踪碳循环进入植物、生物体和土壤的过程。这是一个社区已经使用了一段时间的方法，“但我们正在以不同的规模使用它，”他说。
每个生态箱都有自己的传统和重点，米尔库说。在蒙彼利埃的生态箱中，来自任何地方的研究人员，不仅限于法国或欧洲，都可以提交项目提案，但不能涉及入侵物种或转基因生物。他和另一位生态箱的同事正在建立一个与碳封存有关的实验。他们将评估生物炭（热解植物残渣，分解缓慢）或玄武岩是否增强了基于土壤的碳封存，以及土壤生物多样性和土壤动物如何受到影响。
植物-土壤相互作用
入侵物种通过快速生长和夺取土著物种的资源来取代其他物种。干旱似乎对入侵者打击更大，但仔细观察会揭示复杂性，来自中国长春中国科学院东北地理与农业生态研究所的刘艳杰表示。
“尽管生态箱是模拟环境和生物变化的一个极好的替代方案，但我们的实验室里没有这些设备，”他说。刘艳杰和他的团队在温室花盆和田间试验中进行实验。在受控田间实验中，他们评估了土壤动物和微生物在植物群落动态中的作用。一个正在进行中的实验有不同条件的地块，例如缺乏草食动物或病原体的土壤。刘燕杰表示，大多数研究仅关注干旱，忽视了随后的重湿，而自然干旱后常常会出现这种情况。当干旱未能杀死入侵者时，随后的重湿实际上会使它们比土著植物更具优势。
对入侵植物的研究长期以来忽视了土壤生物的影响。他和他的团队比较了活性土壤和无菌土壤中的生长情况，无菌土壤经过处理以缺乏微生物和微生物。在干旱和重湿后的活性土壤中，入侵植物恢复得更快，这表明土壤生物的重要性。该团队还将受控实验与宏基因组分析相结合，以阐明特定分类群的作用以及个体土壤生物因素如何支撑植物入侵。刘艳杰表示，这也可以提供有关全球环境变化的见解。
需要一种方法来考虑生态系统的影响和相互作用因素，例如在这种情况下的干旱和重湿，芬说。无法同时研究所有因素，当你开始将它们添加到实验中时，这会使实验设置变得复杂。需要更多的样本数量，并且要考虑的变量组合成倍增加。芬表示，“这对于该领域来说是一个挑战。”
正在爱达荷大学（University of Idaho）校园内建设的深层土壤生态箱（Deep Soil Ecotron）。
迈克尔·斯特里克兰（左）和扎卡里·凯勒（右）是该项目的两位首席研究员，该项目是几所大学和PNNL的合作项目。
本·哈洛（中）是技术工程师。这个设施共有24个单元，计划于2026年开放，将专注于研究深达三米的土壤，并应用多种类型的仪器设备。
深层土壤实验
来自爱达荷大学的扎卡里·凯勒（Zachary Kayler）与同事斯特里克兰德（Strickland）一同接受了采访，他专注于土壤的生物地球化学，对植物-土壤相互作用以及植物将碳输送到地下以推动营养循环的方式感到好奇。凯勒表示：“在其中起关键作用的是微生物。”
微生物可能涉及有机矿物相互作用，但问题是，“它有多重要？我们始终在寻找这种影响，”他说。这还涉及与地球系统模型师合作。斯特里克兰德和凯勒希望“深层土壤生态箱”——计划于2026年开放，并目前正在爱达荷大学校园内建设——可以帮助回答此类问题。据他们所知，目前没有任何设施研究深层土壤，即三米深。他们是这个生态箱的首席调查员，由爱达荷大学、夏威夷大学、特拉华大学、阿拉斯加大学、怀俄明大学、科罗拉多大学博尔德分校和西北太平洋国家实验室（PNNL）共同运营。
凯勒表示，土壤科学、场地系统科学和生态系统生态学的数据相对较少。他回忆起科罗拉多州立大学的生态学家艾伦·纳普（Alan Knapp）曾指出，大型强子对撞机产生的大量数据输出，并将其与一个可能只有五个决定性数据点的五年干旱实验进行对比。这些数据塑造了下一步的科学步骤以及与政策制定者和应用研究结果的人的对话。斯特里克兰德表示，深层土壤生态箱具有24个受控环境，为研究人员提供了复制实验和评估多个因素的方法。其定制的工程单元是金属套筒，预计今年秋季交付，套筒的整个长度都布满了传感器端口。斯特里克兰德和凯勒一直在与公司合作，开发可以插入这些端口的仪器，例如X射线技术、探地雷达、声学方法和不同类型的气体传感器。
凯勒表示，科学家可能会进行的实验包括测量土壤孔隙度和评估土壤动物。他们可能会跟踪气体排放，使用18O和15N来跟踪碳和氮在食物链中的传播。他们可能会应用层析法来评估扎根在土壤中的根系。他们可以调整土壤湿度和温度条件。他们可能会在深度处设置五度的温度增加，或者干旱，然后持续监测和测量。他们可以点燃一个密闭的火源，探究对植被和土壤的影响，测量焦化和燃烧过程中的微生物运输，并查看多少焦化材料，或称为黑碳，最终进入土壤。
规划和运行设施将会占据斯特里克兰德和凯勒大部分的时间，但他们也会继续进行自己的研究。斯特里克兰德计划使用深层土壤生态箱研究深层土壤微生物的动态过程，超越了通常研究的十厘米深度。已知微生物群落在深层的稀疏程度更高，但它们的作用尚不清楚。10或30厘米深度的扰动如何影响更深层的事件？地下系统是否会为受到干旱、高温或其他变化影响的生态系统提供弹性？科罗拉多大学的诺亚·菲尔（Noah Fierer）正在开发数据分析管道，用于元基因组分析和转录组分析，以在生态箱中部署。当设施准备就绪时，科学家将能够提交使用它的提案。
芬表示，科学家往往会非常谨慎，“有时可能太谨慎了，因为我们知道一切都取决于背景。”但需要解决问题的紧迫性。她说：“我们已经有了很多知识，”这些知识可以为指导降低损害的系统提供方法。实验将继续不断解决许多尚未解决的问题。很多东西可以被测量，但还有很多无法测量的东西。
芬说，生态学家长期以来一直在评估植物群落组成，但现在已经开始探索这些组合的功能。土壤科学也正在通过使用技术来追踪土壤中的元素等问题来追寻功能问题。她表示，将同位素元素追踪与宏基因组学和原位技术相结合，以持续测量土壤过程和整体土壤生物多样性，将是令人兴奋的。这不仅仅是了解“谁在那里”，更是了解“它们实际在做什么”，因为对我来说，这最终是最有趣的部分。”这将有助于评估地上碳进入土壤并在那里固持的程度。
芬说，许多实验机会和各种工具使得研究人员现在可以表征气候变化的更大影响，例如碳和氮如何通过土壤动物和微生物进行处理，或者土壤中的水过滤如何变化，以及许多其他生态系统方面。土壤科学家和生物地球化学家长期以来一直在合作，她说；现在这种合作还包括研究土壤生物学家和土壤生态学家。芬说：“最终我们已经进入了与地上生态学家、陆地生态系统科学家或海洋生态系统科学家相同的领域，”她说：“这就是为什么我认为这是一个发展迅速的科学：因为每个人都必须共同合作。”
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01962-4