土壤污染修复研究进展解析

 铁是所有生物生长发育的必须营养元素之一，包括植物和动物，因为其参与生物体内众多氧化还原过程，同时还参与植物体内叶绿素的形成。虽然铁在土壤中的含量相当高，但在碱性土壤中，铁是以氧化铁和氢氧化铁的形式存在的，其有效性很低。   据报道，世界上大约有三分之一的土壤属于碱性土壤，因此在农业生产上盐毒害是存在的，且与缺铁一样，是植物生长发育的限制因子，然而，目前关于植物如何同时响应缺铁与盐毒害的研究尚不清楚。   南京土壤研究所沈仁芳课题组以模式植物拟南芥为材料，在水培的条件下，研究了在盐毒害与缺铁同时存在的情况下拟南芥的生长状况。发现盐毒害（外源添加氯化钠）能显著缓解拟南芥对缺铁胁迫的响应，即叶片的失绿现象有所缓解，同时伴随着根系细胞壁半纤维素含量的降低，以及半纤维素/细胞壁所吸附的铁含量的降低，表明外源添加氯化钠能通过促进细胞壁所吸附的铁的释放达到体内铁的再利用。   此外，外源添加氯化钠也能促进铁从根部到地上部分的转运，主要是通过上调FRD3 (FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE3), YSL2 (YELLOW STRIPE-LIKE) and NAS1 (NICOTIANAMINE SYNTHASE1)这些铁长距离运输相关基因的表达，从而有效的改善了地上部铁的营养状况。本研究为缺铁土壤上植物的生长提供了一种新的策略。   在青藏高原草毡表层形成过程与功能研究取得进展。草毡表层 (mattic epipedon) 是青藏高原及部分高山地带独特的由土壤物质与活/死根交织缠结而成的毡状表层，是高寒草甸生态系统土壤形态特征和发生过程的综合体现。   《中国土壤系统分类》考虑其在我国青藏高原分布广泛，在国际土壤分类领域首次将其划为诊断表层，赋予其重要的土壤发生分类学地位，但对其形成机理、空间分布以及生态水文功能等方面的研究国内外鲜有报道。南京土壤研究所张甘霖课题组近年来对青藏高原东北缘祁连山区进行了系统的调查研究，对草毡表层的形成过程及其生态水文效应，不同发育程度草毡表层空间分布特征及其影响因素等方面取得了重要认识。   研究发现，草毡表层的细土物质主要来自于全新世黄土沉积，这些外来粉尘大大提升了高寒地区粗骨质土壤的生产潜力，促进草毡表层的形成，而草毡表层的发育有助于捕获更多降尘并保护其免受侵蚀，细土层不断加积，是祁连山区土壤形成的关键过程 (Geoderma, 2016, 282, 9-15, doi: 10.1016/j.geoderma.2016.07.003)。细土物质的积累为高寒山区另一关键成土过程-土壤有机碳的积累提供了基质。他人报道认为（Qiu, Nature, 2016, 529, 7585)，青藏高原草毡表层储存了约180亿吨有机碳，占全国1米土体有机碳储量的1/5。   研究团队针对祁连山区草毡表层富集土壤有机碳的特点，开发了用于模拟土壤有机碳深度分布的分段指数函数，并预测出30cm土层有机碳储量超过80%，远高于前人预测而更接近于实际调查结果 (Scientific Reports, 2016, 6, 21842, doi:10.1038/srep21842)。与黄土发育的非草毡层相比，草毡表层中有机碳的积累显著降低了土壤容重 (R2 =0.81)，提高了土壤孔隙度 (R2 =0.77)，田间持水量 (R2 =0.49)，萎蔫含水量 (R2 =0.56) 与阳离子交换量 (R2 =0.96)；考虑到草毡表层下覆土层多为高砾石含量的冰碛物，草毡表层是土壤水分、养分保蓄的关键层段，是青藏高原及高山土壤的主要功能区 (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)。如果说青藏高原是亚洲水塔，草毡层无疑是水塔的“开关”，控制着土壤水分的保蓄和径流产生。   祁连山区草毡表层的空间分布呈明显的区域聚集特征，集中分布于祁连山中部和东南部。在海拔3000 m以上，草毡表层的发育程度随海拔的降低呈增强的趋势；海拔相对较低的地区，地势平缓（利于土壤水分汇集和保持）和温度适宜（利于植被生长和根系缠结）是促进草毡表层发生发育的关键因素 (Geoderma Regional, 2017, 10, 1-10, doi:10.1016/j.geodrs.2017.02.001; 生态学报, 2017, 37, 20, doi:10.5846/stxb201608031598; Pedosphere, in press)。相关研究对青藏高原土壤形成过程与保育、土壤有机碳精确估算、土壤生态服务功能评估价等方面具有重要意义。   首次从水稻根系分泌物中挖掘到新的调控氮素利用效率的生物硝化抑制剂1,9-癸二醇。硝化作用是农田氮素转化的主要途径，与氮素损失和利用有非常密切的关系。维持氮素以NH4+ 的形式存在是提高作物氮素利用率的关键之一。由于合成硝化抑制剂价格昂贵，在不同土壤类型中性能不稳定，而且存在生态环境和食品的安全隐患等，开发植物源的生物硝化抑制剂（BNIs）显得十分必要。迄今为止，BNIs只从Brachiaria humidicola和高粱中报道过。   南京土壤研究所施卫明课题组利用自我创制的根系分泌物原位收集系统和GC-MS分离鉴定技术，通过测定19个籼稻、粳稻品种的根系分泌物活性，首次从重要粮食作物水稻中鉴定到一种新型的BNIs——1,9-癸二醇，发现其主要通过抑制氨单加氧酶（AMO）过程来抑制硝化作用，并明确了1,9-癸二醇是水稻根系分泌的天然物质，对潮灰土的硝化作用有显著抑制效应，抑制效应显著大于目前农牧业生产中普遍使用的双氰胺（DCD）。进一步通过19个水稻品种15N同位素标记实验，揭示了生物硝化抑制效应、1,9癸二醇含量与水稻品种氮吸收利用效率之间有密切的联系。 上述研究成果发表于植物学TOP期刊New Phytologist （Sun et al., 2016, 212: 646–656），得到了国际同行的高度评价，认为这一工作对水稻遗传/育种和稻田氮肥管理提供了新的思路和切入点（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…）。该研究对于深化植物-微生物互作调控土壤氮素转化，提高作物氮素利用率、减少氮素流失和温室气体排放，指导氮肥减施增效，实现化肥氮零增长的国家战略，具有重要的理论意义和应用价值。研究成果也得到了超过100家国内外媒体和机构（美国科学促进会AAAS、《印度时报》、《经济时报》等）的广泛关注和报道。   首次利用稀土元素和13C双向标记研究团聚体动态变化。团粒结构是肥沃土壤的物质基础，有机质是形成团粒结构的重要胶结剂。如何提高土壤有机碳，促进团粒结构形成一直为土壤学研究热点。团聚体形成稳定与有机质周转密切相关，目前已形成共识认为团聚体物理保护是土壤有机质周转的关键机制。但是我们不知道有机质腐解过程中团聚体是由哪些小团聚体形成的，有机质矿化过程中大团聚体又破碎成哪些小团聚体，也不清楚有机质如何进入团聚体。其关键原因是我们缺乏类似于13C/14C示踪有机质周转的方法来示踪团聚体周转路径，也导致团聚体动态模型模拟研究难以取得突破。   最近，南京土壤研究所彭新华研究员团队发现干湿交替显著提高了稀土元素氧化物与土壤颗粒的结合能力，湿筛后回收率接近100%，加上稀土元素氧化物对微生物活性影响弱，氧化物颗粒小，易测定等特点，提出了稀土元素标记团聚体的方法（图左），即每一粒级团聚体用一种稀土元素标记，然后组合成土壤。根据稀土元素在不同粒级团聚体的重新分布，提出了团聚体周转路径与速率计算方法（图右）。发现团聚体向相邻粒级的周转比重较大，大团聚体周转速率要快于小团聚体。添加外源有机质显著提高了周转速率，团聚体周转速率与13C累积含量呈线性关系。   这一成果近期发表于土壤学TOP期刊SBB（Peng et al., 2017，109: 81-94），得到国际同行的高度评价，认为这是首次利用稀土元素和13C双向标记研究团聚体动态变化（原文：…To my knowledge, this is the first combined use of physical (REO) and biological (13C) tracers to examine these dynamics...），这篇文章最重要的贡献是提出了计算团聚体周转速率（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…），这一工作真正代表了团聚体研究的领先水平（原文:…they are truly the “state of the art” at this point）。稀土元素示踪团聚体周转研究方法将为揭示土壤有机碳物理固碳机制，构建团聚体周转模型等提供强有力的手段。