導(dǎo) 讀

2013年的一項(xiàng)調(diào)查顯示，全國(guó)范圍內(nèi)，農(nóng)田土壤氮肥利用率不到35%，損失率高達(dá)40%~50%，相當(dāng)于每年損失氮肥500億元人民幣。同時(shí)，氮素流失還造成了嚴(yán)重的環(huán)境危害，如水體富營(yíng)養(yǎng)化。也就是說，傳統(tǒng)上用物理灌溉、化學(xué)肥料、農(nóng)化用品的“大水、大肥、大藥”的糧食增產(chǎn)模式已達(dá)瓶頸。

在許多土壤微生物專家看來，土壤氮肥利用和微生物緊密相關(guān)，犧牲環(huán)境質(zhì)量來保障糧食安全不可持續(xù)，而研究并利用土壤微生物將是提高產(chǎn)量，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)健康生產(chǎn)方式的有效途徑。

2014年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“土壤—微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”，旨在系統(tǒng)認(rèn)識(shí)我國(guó)主要類型土壤微生物組成、格局及演替規(guī)律，揭示土壤微生物—作物—營(yíng)養(yǎng)元素的相互作用機(jī)制，從而為提高養(yǎng)分利用率，應(yīng)對(duì)我國(guó)糧食安全困局提供科技支撐。近日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者專訪了該專項(xiàng)首席科學(xué)家、中科院城市環(huán)境研究所所長(zhǎng)朱永官研究員，以了解這一項(xiàng)目最新的進(jìn)展。

文/ 甘曉（中國(guó)科學(xué)報(bào)記者）

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)（2015年12月14日）

摸清微生物資源

朱永官告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，每克土壤棲息著數(shù)量超過10億的微生物，但百分之九十九的種類和功能未知，“弄清到底有哪些微生物，是揭開土壤‘黑箱’的關(guān)鍵”。

專項(xiàng)啟動(dòng)后，研究人員進(jìn)行了大范圍土壤采樣調(diào)查，還針對(duì)微生物時(shí)空分布格局開展了相關(guān)研究。

朱永官介紹，以其中的一個(gè)課題為例，在短短一年時(shí)間內(nèi)，研究人員跑遍了我國(guó)10個(gè)省份、13個(gè)地區(qū)，并在每個(gè)地區(qū)取3塊樣地，每塊樣地11個(gè)樣品，共獲得429個(gè)樣品。

這些樣品將會(huì)在專項(xiàng)所有課題之間共享，并向國(guó)內(nèi)同行開放，對(duì)我國(guó)土壤微生物資源研究具有重要意義。

例如，2014年9月，參與該專項(xiàng)的中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所研究員韓興國(guó)帶領(lǐng)的研究小組針對(duì)我國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)東西樣帶的科研調(diào)查，完成了約4000公里草地的土壤和植被采樣工作。

在分析土壤樣品中氮同位素的變化趨勢(shì)后，研究人員發(fā)現(xiàn)了干旱指數(shù)與氮素轉(zhuǎn)化的鐘型關(guān)系，而細(xì)菌多樣性的變化則主要出現(xiàn)在極端干旱地區(qū)。

據(jù)此，研究人員得出結(jié)論，干旱將導(dǎo)致土壤氮相關(guān)微生物的變化，這可能影響草地土壤的生產(chǎn)力。

除了草地，隨著該專項(xiàng)研究工作的不斷展開，科研人員正在對(duì)農(nóng)田、森林等不同類型的土壤微生物資源類型進(jìn)行調(diào)查。

還原微生物功能

“掌握了有什么微生物，我們還要探索它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)氮磷循環(huán)中發(fā)揮什么作用?！敝煊拦僦赋?，在摸清微生物資源的基礎(chǔ)上，科研人員還要進(jìn)一步對(duì)土壤微生物在養(yǎng)分循環(huán)過程中的功能開展研究。

據(jù)了解，土壤理化分析、氮-15原位示蹤、高通量組學(xué)技術(shù)和單細(xì)胞成像技術(shù)等諸多先進(jìn)的生物技術(shù)正在這項(xiàng)研究中被應(yīng)用，幫助研究人員解析旱地農(nóng)田、淹水稻田等不同類型土壤碳氮磷循環(huán)過程的微生物過程和功能。

自2014年以來，朱永官帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)南方水稻田中的氮損失開展了研究。

研究人員針對(duì)我國(guó)南方12個(gè)不同類型的水稻土壤，進(jìn)行了大規(guī)模的野外采樣。為保證土壤微生物的活性，樣品必須維持4攝氏度并以最快的速度從各地運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室中。

隨后，研究人員利用同位素技術(shù)分析了水稻土中厭氧氨氧化菌活性及其代謝過程，首次證明稻田土壤存在鐵—氨氧化過程，氮素?fù)p失最高可達(dá)氮肥施用量的31%。

這一成果極大豐富了傳統(tǒng)氮肥損失的機(jī)理研究，表明除了溫度和氮肥形態(tài)等環(huán)境因子外，土壤微生物在其中發(fā)揮了重要作用。只有綜合考慮pH、氮肥濃度、鐵元素和土壤微生物之間的關(guān)系，才能更好地評(píng)估并調(diào)控農(nóng)田土壤氮轉(zhuǎn)化過程。

“調(diào)控”出高效養(yǎng)分利用

作為專項(xiàng)的承擔(dān)單位，中科院南京土壤所聚焦微生物與地上—地下生物的協(xié)同調(diào)控，旨在圍繞植物根系、土壤和微生物的協(xié)同作用機(jī)制，探索氮磷高效利用的問題。

目前，南京土壤研究所研究員沈仁芳團(tuán)隊(duì)根據(jù)溫室盆栽實(shí)驗(yàn)、野外田間實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤磷素的施用決定了真菌對(duì)作物的促生效果。

朱永官表示，這項(xiàng)成果從土壤微生物—作物—磷肥利用率綜合調(diào)控的角度，針對(duì)我國(guó)典型的稻麥輪作管理方式，提出了旱重水輕的磷肥施用理念（旱小麥多施磷肥、水稻季少施磷肥），“不僅能維持作物產(chǎn)量，而且能夠防控土壤磷素過量施用帶來的水體富營(yíng)養(yǎng)化污染”。

今年10 月25日，南京土壤所組織了專項(xiàng)高端學(xué)術(shù)研討會(huì)，針對(duì)土壤微生物國(guó)際前沿，聯(lián)合國(guó)際土壤學(xué)優(yōu)勢(shì)力量共同攻關(guān)。

會(huì)議上，多名世界土壤微生物領(lǐng)域的專家對(duì)中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)表示贊賞。

“這些高水平研究工作是中國(guó)科學(xué)家對(duì)2015國(guó)際土壤年的重要貢獻(xiàn)?！泵绹?guó)科學(xué)院院士James Tiedje如是說。

“中國(guó)在土壤微生物組方面的投入代表了科學(xué)前沿，也將為農(nóng)業(yè)實(shí)踐提供實(shí)質(zhì)性幫助?！泵绹?guó)佐治亞理工學(xué)院Kostas Konstantinidis教授表示。

美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Jack Gilbert教授則認(rèn)為，該專項(xiàng)可能改變國(guó)際土壤微生物相關(guān)研究領(lǐng)域的格局。

除了科學(xué)研究，研究人員還積極與氮肥生產(chǎn)企業(yè)開展緊密合作，努力推動(dòng)研究成果盡快走進(jìn)田間地頭。

例如，與浙江奧復(fù)托化工有限公司合作中，圍繞硝化抑制劑、脲酶抑制劑提高氮肥利用效率的微生物機(jī)制，雙方已經(jīng)布置了野外田間試驗(yàn)，優(yōu)化不同組合的施肥處理，發(fā)展氮肥高效利用的調(diào)控措施。

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