土壤搜索

土壤正面临危机。英国克兰菲尔德大学(Cranfield University)的土壤化学家鲁本·萨克拉巴尼(Ruben Sakrabani)说，当发达国家改善了空气和水的质量时，土壤“被认为是理所当然的”。“现在我们已经到了需要重新评估我们迄今为止管理土壤的方式的时候了。“气候变化和化学肥料的过度使用使它容易受到侵蚀和丧失生育力，这将严重影响我们未来养活地球上所有人的能力。”

虽然对我们中的一些人来说，土壤是从花园中心的塑料袋里来的，但土壤从基岩开始，风化成颗粒，被微生物和植物占领。这些腐烂成为肥沃混合物的一部分，我们知道的土壤(见方框什么是下面的土壤)。Sakrabani和许多其他研究人员现在关注的是“土壤健康”——土壤维持植物、动物和最终人类生存的持续能力。的欧盟报告称，60% - 70%的欧洲土壤退化每年约有10亿吨土壤因侵蚀而被冲走，耗资12.5亿欧元(10.6亿英镑)。根据联合国支持的一项研究，全球约三分之一的土壤健康状况正在下降，每年流失240亿吨肥沃土壤。

英国普利茅斯大学(University of Plymouth)的环境化学家马克·菲茨西蒙斯(Mark Fitzsimons)解释说:“粮食安全和土壤健康之间存在紧张关系。”“第二次世界大战后，发达国家已转向农业集约化……化肥的施用根据产量而不是对土壤健康的影响和对其他环境因素的影响进行管理。”菲茨西蒙斯还指出，土壤质量差导致了我们食物营养价值的降低:“必要的元素没有被替换。小麦中的硒就是一个例子。”

浸出和损失

的创始人和执行董事Ellen Fray说可持续土壤联盟将土壤称为“沉默的猛犸象”，支撑着环境中的许多其他东西。但现在它正在成为一种威胁，尤其是对水的健康和水生生物，因为当它丢失时，它就会去那里。过量的化肥是为了将氮、钾和磷(NKP)添加到土壤中，导致有毒藻类大量繁殖，从而造成了我们的水道污染。现在英国和欧盟有限制这种破坏的法规，但硝酸盐的淋失也表明土壤无法保持化肥提供的养分。

菲茨西蒙斯解释说:“以化学形式向土壤中添加硝酸盐是我们所能做的最糟糕的事情，因为我们希望它能被保留下来。”问题是硝酸盐离子带负电，构成土壤颗粒的许多氧化物也带负电。“即使这些颗粒想要抓住硝酸盐，它们也无法轻易抓住，硝酸盐会被排斥，所以它是一种可移动的氮。”他认为，含有氮、碳、氧以及可能带有正电荷的大分子蛋白质可以附着在颗粒上，并以一种更稳定的方式在土壤中排列。他解释说，它可以根据需要使用和分解。

此外，重度耕作土壤中的有机碳也在逐渐消耗，当使用化肥时，有机碳无法得到补充。Sakrabani说:“我并不是说化肥不好——自50-60年前被发明以来，它们已经做了很好的工作。”“但也有有机物，这基本上是使土壤成为一个生命系统的原因。它就像是把土壤颗粒粘合在一起的胶水。”

土壤将有机氮转化为硝酸盐并将其排出

多年来，有机物质的补充已经下降，特别是在炎热的气候条件下。“西班牙南部的一些地区几乎是沙漠，”Sakrabani说，“在(更热、更干燥的)欧洲南部，(有机分子中)存在的碳会以二氧化碳的形式燃烧掉……在热带地区，你也面临着类似的挑战，因为那里又热又湿，所以碳的周转也会非常快。”

基于他最近对合成土壤的研究菲茨西蒙斯还假设，碳的消耗也会影响土壤保留氮含量的方式。他说，当碳含量有限时，土壤中的微生物会从有机分子中提取碳，并排斥氮。土壤将有机氮转化为硝酸盐并将其排出。”

最重要的是，退化的土壤正在增加温室气体的释放。弗赖说:“土壤储存的碳比大气要多得多。”但在一些地区，土壤已经成为二氧化碳和一氧化二氮的排放源。当然，从Haber-Bosch工艺生产硝酸铵化肥是能源密集型的，每公斤氮的总排放量为3.6公斤二氧化碳当量。

菲茨西蒙斯说:“我们认识到土壤正在退化，这是一个全球性问题，但却没有明显的集体行动。”但这种情况正在开始改变。最近提出的一个新建议是，将细磨的玄武岩粉尘撒在不健康的土壤上，这被称为“增强风化作用”。Sakrabani说:“这背后的理论是，二氧化碳也可以被困在硅酸盐材料的晶格中，使(土壤中的碳含量)更加稳定……这可能是一个快速的胜利。”一个来自比利时、德国和英国的团队最近测试的方法种植马铃薯，获得了更高的产量。

回收和补充

其他解决方案集中在回收废物以补充土壤。Sakrabani说:“作为一个概念，这是我们的祖先在驴子时代做的事情。”他一直在与化学工程师彼得•哈蒙德(Peter Hammond)合作CCm技术这家公司正在开发一种更可持续的肥料，他们说这种肥料将改善土壤健康。

哈蒙德从厌氧消化器的产品开始着手。厌氧消化器利用细菌在无氧的情况下分解粪便、废水和食物垃圾等有机物。这个过程产生沼气(二氧化碳和甲烷)、热量和剩余的有机消化物。哈蒙德解释说:“我们的最大优势是氨已经以分子的形式存在于这些来源中。”它来自化肥渗滤液或动物粪便中尿素的分解。CCm只是通过二氧化碳消化与氨反应产生碳酸氢盐。然后他们加入硝酸钙，最终得到硝酸铵和白垩与有机消化物混合。他们甚至利用消化器产生的热量将产品转化为肥料颗粒，其中约50%的NKP含量和50%的有机碳。

除了优雅和可持续的回收过程，以及吸收二氧化碳的能力外，用这些肥料处理的土壤还有其他优点。哈蒙德说:“使用矿物肥料，有机碳就不会再回来了。”此外，在颗粒中返回土壤的硝酸铵不太稳定。“它会在溶液中分解成铵离子和硝酸盐，这两种离子都将被植物利用，但它的速度比直接使用这两种离子的速度要慢。”“与尿素和其他硝酸铵矿物肥料相比，养分的浸出减少了60-70%。

即使是喷洒肥料和其他有机物质也会在植物有机会利用它们之前导致营养物质的损失和浸出。哈蒙德解释说:“排放也相当严重，有机物分解产生的直接二氧化碳排放，但在农家院子里，氮仍然以氨的形式存在，所以它们要么被冲出系统，要么通过蒸发离开系统，分解成各种氮氧化物，对环境造成一定程度的危害。”

如果你能把二氧化碳困在颗粒里，并确保它真的困在土壤里，那就太棒了

由于消化肥料所含有机物质的类型，这种情况较少发生。“[在厌氧消化器中]留下的往往是更大、更难分解、更坚固的分子，所以它们会进入土壤，并在很长一段时间内存在。”该公司说，如果使用标准测试，预计大约20%的有机物质会在土壤中停留至少20年。Sakrabani也一直在与Hammond合作，以了解返回土壤的碳有多稳定。“如果你能将二氧化碳捕获到颗粒中，并确保它在施用后滞留在土壤中，那就太棒了。”我还没有得到所有的证据，我们正在做一些温室气体测量来了解这一过程。”

该公司正在推进其化肥的试验，并与百事公司(PepsiCo)在莱斯特(Leicester)的沃克斯薯片工厂(Walkers Crisps)建立了一家工厂，在那里他们利用土豆作物的废料制造化肥。他们还与塞文特伦特水务公司合作开发使用污水的工艺。CCm并不是唯一一家试图利用废物改善土壤的公司——挪威公司N2应用开发了一种利用农场浆液生产富氮有机肥料的工艺。今年7月，苏格兰乡村学院(Scotland 's Rural College)购买了英国的第一套公寓。他们的方法是利用电场产生等离子体，将氨转化为硝酸盐，并将其锁定在肥料中。

人造土壤

菲茨西蒙斯也在利用废弃物，但他并没有改善不健康的土壤，而是从头开始，他以采矿废料或沉积的沉积物为基础，进行了重建土壤的实验，这些沉积物可能本身就是从土壤中侵蚀出来的。他说:“通过将这些无机材料，比如废粘土，与适当形式的绿色废物相结合，我们实际上拥有了活土壤的所有成分。”其中一些工作是与康沃尔的伊甸园项目合作进行的。

一旦一种材料成为废品，之后就很难将其识别为产品

在2019年首次尝试创造理想土壤时，他们发现很难保留氮。“它变成了我们所说的氮饱和，”菲茨西蒙斯说。解决方案是以生物炭的形式添加碳——在有限的氧气供应下，在高温(300-1000°C)下碳化的有机材料。他们发现，按重量添加10%的生物炭可使土壤渗滤液中溶解的氮减少44%，碳减少35%。菲茨西蒙认为，生物炭可以提供更高的离子交换能力，并在其孔隙中保留分子。土壤测试表现出在极端气候下(如长时间的高温或降雨)保持生长的能力，至少持续三周。

菲茨西蒙斯还与一个法国团队合作，研究从疏浚的港口沉积物中创造再生土壤。他们有对材料进行电动处理-应用低压直流电场来协助去除污染物，并添加生物可降解的螯合剂，如柠檬酸和非离子表面活性剂。在批量生产40公斤以下的产品时，这可以实现成本效益，但能否扩大规模仍是一个问题。

所有这些利用废料来补充或创造土壤的尝试目前都受到了废物法规的阻碍。哈蒙德说:“问题是，一旦一种材料成为废品，之后就很难将其认定为产品。”菲茨西蒙斯也认为，政策变化至关重要。他说:“垃圾统计数据显示，50%的垃圾填埋量是对土壤的处理……我认为，作为一个社会，这表明我们不重视土壤。”哈蒙德表示，英国环境署目前正在研究这些规定，因此他希望这些规定会有所改变。

微生物和监测

了解和改善土壤的化学组成只是故事的一半。另一半是土壤微生物群——它本身已经受到土壤退化的干扰。“微生物是土壤中生命的重要组成部分，它们帮助植物生长，就像微生物帮助人类或动物在消化系统中生长一样——植物的消化系统是它们的根，”阿尔贝托·阿塞多说，他是Biome Makers公司的联合创始人，该公司位于美国加利福尼亚州，生产生物肥料来改善土壤健康。

仅少量的土壤就含有大约100亿个细菌、真菌和古生菌，它们的作用就会推动植物的营养循环。过度使用合成肥料或单一农业往往会扰乱微生物群落，从而降低土壤抵御侵蚀和病原体的能力。公司现在正在开发生物肥料来解决这个问题，将微生物重新添加到土壤中。

西班牙公司就是一个例子Symborg它会产生固氮细菌共生甲基杆菌，促进植物生长和种子产量，同时减少一氧化二氮的排放。Acedo的生物群落制造商已经采取了更广泛的方法，正在寻求了解微生物在不同土壤类型上的整个网络，并使用人工智能来推断如何优化每种不同土壤和作物的作物产量。

他们开发了一个包含1000万个微生物的全球数据库，这些微生物来自3.5万个土壤样本，涵盖了40多个国家的122多种作物，从哥斯达黎加的香蕉到美国的玉米。2021年，他们与拜耳作物科学合作，推出了第一个人工智能虚拟助手帮助农民和农学家确定他们的土壤需要什么，以可持续的方式提高产量。

但并不是每个人都认为改善土壤健康的答案是技术，一些人建议回归非集约化的耕作方法，包括将土地留给“绿色覆盖”——绿色固氮植物，以恢复土壤结构和提高肥力。“总有这样一个难题，你需要用更少的投入产生同样的产出。哈蒙德重申，我们必须养活所有人。他认为CCm生产的可持续肥料提供了一种可持续的解决方案。

我们的观念也必须改变

弗赖认为，目前的问题之一是对土壤质量的监测很少。“我们需要的是一个每个人都同意的、真正一致的衡量土壤健康状况的标准。英国曼彻斯特城市大学的计算科学家梁秀(音译)发明了一种新的高分辨率监测土壤氮含量的方法，以帮助防止过度施肥。目前，这需要对植物组织进行化学分析，这是破坏性的，而且成本很高:“分析每个样本的成本可能在40英镑左右”，Han说。

相反，她开发了一种人工智能机器人系统，使用成像来捕捉作物冠层上方的光谱和空间特征，并据此准确预测农田不同部分的氮状态。betway必威游戏下载大全这个名为N2Vision的系统使用了机器学习，包括3D作物图像数据集及其相应的化学分析。“你可以看到颜色或(植物)结构有非常微妙的变化，而这些都被人工智能捕捉到了，”韩解释道。一旦经过训练，该系统可以绕过化学分析步骤，仅根据图像提供准确的氮含量数据。

一个与邱园合作进行可行性研究到目前为止，已经在小麦作物上实现了很高的准确性和可重复性，Han说他们计划收集数据并训练其他作物的系统。“在这个项目中，我们主要关注氮元素，但我们也可以利用图像来量化其他属性，如pH值和钙等非常重要的营养物质，我们也计划这样做。”

弗赖说，处理土壤的部分困难在于，与其他任何自然资源不同，它是由个人拥有的，“这与水或空气不同，这导致了复杂性”。在英国，大约70%的土壤为农民所有，弗赖希望政府现在可以采取行动，鼓励改善土壤健康，包括监测。弗赖说，英国目前的政策，包括6月份推出的可持续农业倡议，为一些有益的做法提供了报酬，但“成本效益分析相当不透明”，而且仍然没有监测土壤健康的承诺。

欧盟也可能在2023年进一步保护土壤健康，而且已经这样做了发布了土壤策略这将包括用清洁的废料和消化池改善土壤。但这可能太少，也太迟了。Sakrabani说:“我们的观念也必须改变。”“我们还需要改变我们的生活方式……我们不能一直要求草莓，我们需要使用季节性作物。”他还建议，我们真的应该自己种植水果和蔬菜，并开始发展我们与土壤的关系。

雷切尔·巴西，英国伦敦科普作家