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土壤污染修復課題逐步深入 多領域研究取得進展

發布時間:2018-02-21瀏覽次數:來源:中國環保在線

我國土壤修復工作仍處于起步階段,各種土壤污染數據還在收集整理當中。南京土壤研究所課題組就此展開了深入摸底,在青藏高原草氈表層形成過程與功能研究中取得了進展,并且首次利用稀土元素和13C雙向標記研究團聚體動態變化。
 
  鐵是所有生物生長發育的必須營養元素之一,包括植物和動物,因為其參與生物體內眾多氧化還原過程,同時還參與植物體內葉綠素的形成。雖然鐵在土壤中的含量相當高,但在堿性土壤中,鐵是以氧化鐵和氫氧化鐵的形式存在的,其有效性很低。
 
  據報道,世界上大約有三分之一的土壤屬于堿性土壤,因此在農業生產上鹽毒害是存在的,且與缺鐵一樣,是植物生長發育的限制因子,然而,目前關于植物如何同時響應缺鐵與鹽毒害的研究尚不清楚。
 
  南京土壤研究所沈仁芳課題組以模式植物擬南芥為材料,在水培的條件下,研究了在鹽毒害與缺鐵同時存在的情況下擬南芥的生長狀況。發現鹽毒害(外源添加氯化鈉)能顯著緩解擬南芥對缺鐵脅迫的響應,即葉片的失綠現象有所緩解,同時伴隨著根系細胞壁半纖維素含量的降低,以及半纖維素/細胞壁所吸附的鐵含量的降低,表明外源添加氯化鈉能通過促進細胞壁所吸附的鐵的釋放達到體內鐵的再利用。
 
  此外,外源添加氯化鈉也能促進鐵從根部到地上部分的轉運,主要是通過上調FRD3 (FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE3),YSL2(YELLOW STRIPE-LIKE)和NAS1(NICOTIANAMINE SYNTHASE1)這些鐵長距離運輸相關基因的表達,從而有效的改善了地上部鐵的營養狀況。本研究為缺鐵土壤上植物的生長提供了一種新的策略。
 
  在青藏高原草氈表層形成過程與功能研究取得進展
 
  草氈表層(mattic epipedon)是青藏高原及部分高山地帶獨特的由土壤物質與活/死根交織纏結而成的氈狀表層,是高寒草甸生態系統土壤形態特征和發生過程的綜合體現。
 
  《中國土壤系統分類》考慮其在我國青藏高原分布廣泛,在國際土壤分類領域首次將其劃為診斷表層,賦予其重要的土壤發生分類學地位,但對其形成機理、空間分布以及生態水文功能等方面的研究國內外鮮有報道。
 
  南京土壤研究所張甘霖課題組近年來對青藏高原東北緣祁連山區進行了系統的調查研究,對草氈表層的形成過程及其生態水文效應,不同發育程度草氈表層空間分布特征及其影響因素等方面取得了重要認識。
 
  研究發現,草氈表層的細土物質主要來自于全新世黃土沉積,這些外來粉塵大大提升了高寒地區粗骨質土壤的生產潛力,促進草氈表層的形成,而草氈表層的發育有助于捕獲更多降塵并保護其免受侵蝕,細土層不斷加積,是祁連山區土壤形成的關鍵過程(Geoderma, 2016, 282, 9-15, doi: 10.1016/j.geoderma.2016.07.003)。
 
  細土物質的積累為高寒山區另一關鍵成土過程-土壤有機碳的積累提供了基質。他人報道認為(Qiu, Nature, 2016, 529, 7585),青藏高原草氈表層儲存了約180億噸有機碳,占全國1米土體有機碳儲量的1/5。
 
  研究團隊針對祁連山區草氈表層富集土壤有機碳的特點,開發了用于模擬土壤有機碳深度分布的分段指數函數,并預測出30cm土層有機碳儲量超過80%,遠高于前人預測而更接近于實際調查結果(Scientific Reports, 2016, 6, 21842, doi:10.1038/srep21842)。與黃土發育的非草氈層相比,草氈表層中有機碳的積累顯著降低了土壤容重(R2 =0.81),提高了土壤孔隙度(R2 =0.77),田間持水量 (R2 =0.49),萎蔫含水量(R2 =0.56) 與陽離子交換量(R2 =0.96);考慮到草氈表層下覆土層多為高礫石含量的冰磧物,草氈表層是土壤水分、養分保蓄的關鍵層段,是青藏高原及高山土壤的主要功能區(Journal of Hydrology, 2014, 519, 3086-3093, doi: 10.1016/j.jhydrol.2014.10.054; European Journal of Soil Science,2017,68,270-280,doi: 10.1111/ejss.12425)。如果說青藏高原是亞洲水塔,草氈層無疑是水塔的“開關”,控制著土壤水分的保蓄和徑流產生。
 
  祁連山區草氈表層的空間分布呈明顯的區域聚集特征,集中分布于祁連山中部和東南部。在海拔3000 m以上,草氈表層的發育程度隨海拔的降低呈增強的趨勢;海拔相對較低的地區,地勢平緩(利于土壤水分匯集和保持)和溫度適宜(利于植被生長和根系纏結)是促進草氈表層發生發育的關鍵因素(Geoderma Regional,2017,10,1-10, doi:10.1016/j.geodrs.2017.02.001; 生態學報,2017, 37, 20, doi:10.5846/stxb201608031598; Pedosphere, in press)。
 
  相關研究對青藏高原土壤形成過程與保育、土壤有機碳精確估算、土壤生態服務功能評估價等方面具有重要意義。
 
  首次從水稻根系分泌物中挖掘到新的調控氮素利用效率的生物硝化抑制劑1,9-癸二醇
 
  硝化作用是農田氮素轉化的主要途徑,與氮素損失和利用有非常密切的關系。維持氮素以NH4+的形式存在是提高作物氮素利用率的關鍵之一。由于合成硝化抑制劑價格昂貴,在不同土壤類型中性能不穩定,而且存在生態環境和食品的安全隱患等,開發植物源的生物硝化抑制劑(BNIs)顯得十分必要。迄今為止,BNIs只從Brachiaria humidicola和高粱中報道過。
 
  南京土壤研究所施衛明課題組利用自我創制的根系分泌物原位收集系統和GC-MS分離鑒定技術,通過測定19個秈稻、粳稻品種的根系分泌物活性,首次從重要糧食作物水稻中鑒定到一種新型的BNIs——1,9-癸二醇,發現其主要通過抑制氨單加氧酶(AMO)過程來抑制硝化作用,并明確了1,9-癸二醇是水稻根系分泌的天然物質,對潮灰土的硝化作用有顯著抑制效應,抑制效應顯著大于目前農牧業生產中普遍使用的雙氰胺(DCD)。進一步通過19個水稻品種15N同位素標記實驗,揭示了生物硝化抑制效應、1,9癸二醇含量與水稻品種氮吸收利用效率之間有密切的聯系。
 
  上述研究成果發表于植物學TOP期刊New Phytologist (Sun et al., 2016, 212: 646–656),得到了國際同行的高度評價,認為這一工作對水稻遺傳/育種和稻田氮肥管理提供了新的思路和切入點(原文:…This is a very nice and well written paper that provides novel insight into a new biological nitrification inhibitor (BNI) obtained from rice varieties and should have a substantial impact on rice genetics/breeding and management options for rice paddies…)。該研究對于深化植物-微生物互作調控土壤氮素轉化,提高作物氮素利用率、減少氮素流失和溫室氣體排放,指導氮肥減施增效,實現化肥氮零增長的國家戰略,具有重要的理論意義和應用價值。研究成果也得到了超過100家國內外媒體和機構(美國科學促進會AAAS、《印度時報》、《經濟時報》等)的廣泛關注和報道。
 
  首次利用稀土元素和13C雙向標記研究團聚體動態變化
 
  團粒結構是肥沃土壤的物質基礎,有機質是形成團粒結構的重要膠結劑。如何提高土壤有機碳,促進團粒結構形成一直為土壤學研究熱點。團聚體形成穩定與有機質周轉密切相關,目前已形成共識認為團聚體物理保護是土壤有機質周轉的關鍵機制。但是我們不知道有機質腐解過程中團聚體是由哪些小團聚體形成的,有機質礦化過程中大團聚體又破碎成哪些小團聚體,也不清楚有機質如何進入團聚體。其關鍵原因是我們缺乏類似于13C/14C示蹤有機質周轉的方法來示蹤團聚體周轉路徑,也導致團聚體動態模型模擬研究難以取得突破。
 
  最近,南京土壤研究所彭新華研究員團隊發現干濕交替顯著提高了稀土元素氧化物與土壤顆粒的結合能力,濕篩后回收率接近100%,加上稀土元素氧化物對微生物活性影響弱,氧化物顆粒小,易測定等特點,提出了稀土元素標記團聚體的方法,即每一粒級團聚體用一種稀土元素標記,然后組合成土壤。根據稀土元素在不同粒級團聚體的重新分布,提出了團聚體周轉路徑與速率計算方法。發現團聚體向相鄰粒級的周轉比重較大,大團聚體周轉速率要快于小團聚體。添加外源有機質顯著提高了周轉速率,團聚體周轉速率與13C累積含量呈線性關系。
 
  這一成果近期發表于土壤學TOP期刊SBB(Peng et al., 2017,109: 81-94),得到國際同行的高度評價,認為這是首次利用稀土元素和13C雙向標記研究團聚體動態變化(原文:…To my knowledge, this is the first combined use of physical (REO) and biological (13C) tracers to examine these dynamics…),這篇文章最重要的貢獻是提出了計算團聚體周轉速率(原文:…Overall, the manuscript is well written, the experimental design is sound,… the most important contribution is the addition of new estimates for physical aggregate turnover rates…),這一工作真正代表了團聚體研究的領先水平(原文:…they are truly the“state of the art” at this point)。稀土元素示蹤團聚體周轉研究方法將為揭示土壤有機碳物理固碳機制,構建團聚體周轉模型等提供強有力的手段。

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