水培系统利用土壤食物网种植健康作物

Brian Filipowich*, Sydni Schramm, Josh Pyle, Kevin Savage, Gary Delanoy, Janelle Hager, 和 Eddie Beuerlein

研究摘要

1. 土壤食物网在生物水培系统中生活在哪里？

• 微生物聚集在生物水培系统内的所有表面上，并悬浮在水柱中。

• 根系是生物水培系统和土壤中微生物活动的热点。

• 系统内的微小生态位为细菌提供了理想的生长条件。

• 不同的系统组件提供独特的环境，并寄宿不同的微生物群落。

2. 生物水培系统中的土壤食物网有多大和多样？

• 研究发现，生物水培系统中微生物的数量和多样性与土壤相当，甚至更高。

• 美国农业部的水培和水产养殖工作组案例研究¹发现，水培番茄系统中的细菌、真菌、原生动物和线虫的数量高于典型有机土壤中预期的水平。

3. 土壤食物网在生物水培系统中做什么？

• 土壤食物网微生物分解固体，使宏观和微观营养素更易于植物吸收。

• 土壤食物网微生物提供生物控制和疾病抑制，改善整体植物健康和质量。

• 栖息在植物根系根际的细菌改善植物组织的细胞过程。

• 研究发现，生物水培系统中的作物腐烂和粪便微生物的出现率低于土壤中。

引言

无论是作为消费者、种植者、政策制定者还是企业主，我们都做出影响食品生产地点和方式的决策。

由于气候变化、环境退化、水资源枯竭、经济不安全、因饮食不良和污染导致的健康问题，以及快速的人口增长和城市化，我们的食品系统正在迅速变化。

在塑造新的食品系统时，一个关键的考虑因素是我们是否能够继续获得高质量的新鲜水果和蔬菜，特别是那些可持续种植的。

我们必须评估像水培这样的新种植方法是否能够提供从种子种植的新鲜水果和蔬菜，并使用自古以来植物所使用的相同共生生物过程。

水培结合了循环鱼类养殖与水培植物生产，提供符合许多消费者需求的农产品。水培是一种可持续的鱼类和植物生产方式，因为它节约水资源，回收富含营养的水产养殖排放，限制鱼类和植物的化学添加剂使用，并提高植物生长速度，相较于基于土壤的农业。

尽管动态不同，水培生产依赖于土壤农业中植物使用的相同生物过程。健康的土壤拥有一个极其庞大、多样的微生物生态系统，这些微生物与植物共生。细菌、真菌、原生动物、线虫等微生物负责植物的多种重要过程，如营养物质传递、疾病抑制和环境调节。这被称为土壤食物网。

尽管缺乏土壤，水培系统中仍存在相同多样的微生物群落。本事实表传达了基于研究的信息，说明水培系统如何利用土壤食物网来生产最高质量的农业作物。

本文中引用的研究基于水培系统和生物活性水培系统。2016年美国农业部水培和水产养殖工作组报告将这些系统称为“生物水培”。

1. 土壤食物网在生物水培系统中生活在哪里？

• 在生物水培系统中，土壤食物网微生物聚集在根、罐壁、管道、漂浮颗粒等固体表面上，尤其是在“生物过滤器”中，这是专门用于容纳有益细菌的组件。

• 某些微生物可以分泌胶状物质，使它们能够“絮凝”并保持悬浮在水柱中。像假单胞菌属和芽孢杆菌属的微生物分泌的细胞外聚合物使微生物能够在水柱中聚集在一起（HP/AP报告）。

• 与土壤一样，生物水培系统中的根系是微生物活动的热点²。

• 水培系统具有微小生态位，使细菌能够在氧气、营养物质和其他生长参数的可用性不同的区域生长和繁荣。微小生态位可以通过允许细菌在其理想生长参数特定的环境中繁荣，从而提高某些细菌的有效性和功能³。

• 在循环水产养殖系统的罐、固体过滤器、生物过滤器和培养水中发现了显著的微生物群落差异，代表独特而复杂的环境。微生物群落会因不同的鱼类养殖物种、水质参数、饲料、pH或其他因素而有所不同⁴。

2. 生物水培系统中的土壤食物网有多大和多样？

• 研究发现，水培系统中每毫升（cfu/ml）细菌的形成单位在1,000,000到10,000,000之间，真菌在10到1,000 cfu/ml之间⁵。在水培系统中发现每克根系有10,000,000,000 cfu⁶。

• 研究表明，生物水培系统中的微生物数量和多样性与堆肥和土壤相当，甚至更高⁷。

• 水培番茄的生长介质上的细菌、真菌、原生动物和线虫的数量高于典型有机土壤中预期的水平，表明其循环营养的能力很强。土壤食物网生物在生物水培生产系统中的营养循环效率极高，能够每英亩同化300磅氮（HP/AP报告）。

3. 土壤食物网在生物水培系统中做什么？

• 土壤食物网在生物水培系统中积极循环营养。微生物释放酶分解漂浮的有机物质，吸收可用的营养物质，并最终使这些营养物质可供其他微生物或植物使用（HP/AP报告）。

• 微生物帮助螯合金属以增加植物根系对营养物质的吸收（HP/AP报告）。

• 土壤食物网通过保护植物免受病原体的侵害来执行生物控制。从水培生菜根系的样本中发现，相对较高比例的细菌株与生物控制有关，包括假单胞菌属、酸杆菌属、鞘氨醇杆菌属或黄杆菌属⁸。

• 水基系统中的植物生长促进根际细菌会信号植物产生类黄酮和其他抗氧化剂等次生代谢物，这些物质有助于抑制植物疾病、氮固定、细胞调节和颜色特性⁷。

• 在水培生物过滤器中发现微生物执行：硝化作用；异养和自养反硝化作用；硝酸盐还原为氨；以及厌氧铵氧化。

• 与土壤中生长的生菜相比，水培生菜的腐烂和粪便微生物浓度显著较低⁹。

结论

水培是一种可持续的鱼类和植物生产方式，因为它节约水资源，回收富含营养的水产养殖排放，限制鱼类和植物的化学添加剂使用，并提高植物生长速度，相较于基于土壤的农业。

研究表明，生物水培系统与土壤一样，利用土壤食物网执行一系列重要功能。所有利益相关者都可以将生物水培系统视为向不断增长的人口提供健康、天然作物的优秀选择，同时对环境影响最小。

贡献者

• *通讯作者：Brian Filipowich，水培农业协会公共政策主任
• Sydni Schramm 和 Josh Pyle，辛辛那提山基督学院研究生
• Kevin Savage 和 Gary Delanoy，辛辛那提山基督学院教职工
• Janelle Hager，肯塔基州立大学研究助理
• Eddie Beuerlein，Blue Mojo Farm, LLC

引用

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