來源:中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所網(wǎng)站
我國(guó)土壤修復(fù)工作仍處于起步階段,各種土壤污染數(shù)據(jù)還在收集整理當(dāng)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(jìn)展,并且首次利用稀土元素和13C雙向標(biāo)記研究團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)變化。
鐵是所有生物生長(zhǎng)發(fā)育的必須營(yíng)養(yǎng)元素之一,包括植物和動(dòng)物,因?yàn)槠鋮⑴c生物體內(nèi)眾多氧化還原過程,同時(shí)還參與植物體內(nèi)葉綠素的形成。雖然鐵在土壤中的含量相當(dāng)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(jù)報(bào)道,世界上大約有三分之一的土壤屬于堿性土壤,因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上鹽毒害是存在的,且與缺鐵一樣,是植物生長(zhǎng)發(fā)育的限制因子,然而,目前關(guān)于植物如何同時(shí)響應(yīng)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(shí)存在的情況下擬南芥的生長(zhǎng)狀況。發(fā)現(xiàn)鹽毒害(外源添加氯化鈉)能顯著緩解擬南芥對(duì)缺鐵脅迫的響應(yīng),即葉片的失綠現(xiàn)象有所緩解,同時(shí)伴隨著根系細(xì)胞壁半纖維素含量的降低,以及半纖維素/細(xì)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(jìn)細(xì)胞壁所吸附的鐵的釋放達(dá)到體內(nèi)鐵的再利用。
此外,外源添加氯化鈉也能促進(jìn)鐵從根部到地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn),主要是通過上調(diào)FRD3 (FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE3),YSL2(YELLOW STRIPE-LIKE)和NAS1(NICOTIANAMINE SYNTHASE1)這些鐵長(zhǎng)距離運(yùn)輸相關(guān)基因的表達(dá),從而有效的改善了地上部鐵的營(yíng)養(yǎng)狀況。本研究為缺鐵土壤上植物的生長(zhǎng)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(jìn)展
草氈表層(mattic epipedon)是青藏高原及部分高山地帶獨(dú)特的由土壤物質(zhì)與活/死根交織纏結(jié)而成的氈狀表層,是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤形態(tài)特征和發(fā)生過程的綜合體現(xiàn)。
《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類》考慮其在我國(guó)青藏高原分布廣泛,在國(guó)際土壤分類領(lǐng)域首次將其劃為診斷表層,賦予其重要的土壤發(fā)生分類學(xué)地位,但對(duì)其形成機(jī)理、空間分布以及生態(tài)水文功能等方面的研究國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。
南京土壤研究所張甘霖課題組近年來對(duì)青藏高原東北緣祁連山區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查研究,對(duì)草氈表層的形成過程及其生態(tài)水文效應(yīng),不同發(fā)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(rèn)識(shí)。
研究發(fā)現(xiàn),草氈表層的細(xì)土物質(zhì)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(qū)粗骨質(zhì)土壤的生產(chǎn)潛力,促進(jìn)草氈表層的形成,而草氈表層的發(fā)育有助于捕獲更多降塵并保護(hù)其免受侵蝕,細(xì)土層不斷加積,是祁連山區(qū)土壤形成的關(guān)鍵過程(Geoderma, 2016, 282, 9-15, doi: 10.1016/j.geoderma.2016.07.003)。
細(xì)土物質(zhì)的積累為高寒山區(qū)另一關(guān)鍵成土過程-土壤有機(jī)碳的積累提供了基質(zhì)。他人報(bào)道認(rèn)為(Qiu, Nature, 2016, 529, 7585),青藏高原草氈表層儲(chǔ)存了約180億噸有機(jī)碳,占全國(guó)1米土體有機(jī)碳儲(chǔ)量的1/5。
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)祁連山區(qū)草氈表層富集土壤有機(jī)碳的特點(diǎn),開發(fā)了用于模擬土壤有機(jī)碳深度分布的分段指數(shù)函數(shù),并預(yù)測(cè)出30cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量超過80%,遠(yuǎn)高于前人預(yù)測(cè)而更接近于實(shí)際調(diào)查結(jié)果(Scientific Reports, 2016, 6, 21842, doi:10.1038/srep21842)。與黃土發(fā)育的非草氈層相比,草氈表層中有機(jī)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(yǎng)分保蓄的關(guān)鍵層段,是青藏高原及高山土壤的主要功能區(qū)(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(guān)”,控制著土壤水分的保蓄和徑流產(chǎn)生。
祁連山區(qū)草氈表層的空間分布呈明顯的區(qū)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(fā)育程度隨海拔的降低呈增強(qiáng)的趨勢(shì);海拔相對(duì)較低的地區(qū),地勢(shì)平緩(利于土壤水分匯集和保持)和溫度適宜(利于植被生長(zhǎng)和根系纏結(jié))是促進(jìn)草氈表層發(fā)生發(fā)育的關(guān)鍵因素(Geoderma Regional,2017,10,1-10, doi:10.1016/j.geodrs.2017.02.001; 生態(tài)學(xué)報(bào),2017, 37, 20, doi:10.5846/stxb201608031598; Pedosphere, in press)。
相關(guān)研究對(duì)青藏高原土壤形成過程與保育、土壤有機(jī)碳精確估算、土壤生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估價(jià)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(diào)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(nóng)田氮素轉(zhuǎn)化的主要途徑,與氮素?fù)p失和利用有非常密切的關(guān)系。維持氮素以NH4+的形式存在是提高作物氮素利用率的關(guān)鍵之一。由于合成硝化抑制劑價(jià)格昂貴,在不同土壤類型中性能不穩(wěn)定,而且存在生態(tài)環(huán)境和食品的安全隱患等,開發(fā)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(bào)道過。
南京土壤研究所施衛(wèi)明課題組利用自我創(chuàng)制的根系分泌物原位收集系統(tǒng)和GC-MS分離鑒定技術(shù),通過測(cè)定19個(gè)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(fā)現(xiàn)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(zhì),對(duì)潮灰土的硝化作用有顯著抑制效應(yīng),抑制效應(yīng)顯著大于目前農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的雙氰胺(DCD)。進(jìn)一步通過19個(gè)水稻品種15N同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn),揭示了生物硝化抑制效應(yīng)、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(lián)系。
上述研究成果發(fā)表于植物學(xué)TOP期刊New Phytologist (Sun et al., 2016, 212: 646–656),得到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià),認(rèn)為這一工作對(duì)水稻遺傳/育種和稻田氮肥管理提供了新的思路和切入點(diǎn)(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(duì)于深化植物-微生物互作調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)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(dǎo)氮肥減施增效,實(shí)現(xiàn)化肥氮零增長(zhǎng)的國(guó)家戰(zhàn)略,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。研究成果也得到了超過100家國(guó)內(nèi)外媒體和機(jī)構(gòu)(美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)AAAS、《印度時(shí)報(bào)》、《經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)》等)的廣泛關(guān)注和報(bào)道。
首次利用稀土元素和13C雙向標(biāo)記研究團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)變化
團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是肥沃土壤的物質(zhì)基礎(chǔ),有機(jī)質(zhì)是形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的重要膠結(jié)劑。如何提高土壤有機(jī)碳,促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成一直為土壤學(xué)研究熱點(diǎn)。團(tuán)聚體形成穩(wěn)定與有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)密切相關(guān),目前已形成共識(shí)認(rèn)為團(tuán)聚體物理保護(hù)是土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵機(jī)制。但是我們不知道有機(jī)質(zhì)腐解過程中團(tuán)聚體是由哪些小團(tuán)聚體形成的,有機(jī)質(zhì)礦化過程中大團(tuán)聚體又破碎成哪些小團(tuán)聚體,也不清楚有機(jī)質(zhì)如何進(jìn)入團(tuán)聚體。其關(guān)鍵原因是我們?nèi)狈︻愃朴?3C/14C示蹤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的方法來示蹤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)路徑,也導(dǎo)致團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)干濕交替顯著提高了稀土元素氧化物與土壤顆粒的結(jié)合能力,濕篩后回收率接近100%,加上稀土元素氧化物對(duì)微生物活性影響弱,氧化物顆粒小,易測(cè)定等特點(diǎn),提出了稀土元素標(biāo)記團(tuán)聚體的方法,即每一粒級(jí)團(tuán)聚體用一種稀土元素標(biāo)記,然后組合成土壤。根據(jù)稀土元素在不同粒級(jí)團(tuán)聚體的重新分布,提出了團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)路徑與速率計(jì)算方法。發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體向相鄰粒級(jí)的周轉(zhuǎn)比重較大,大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率要快于小團(tuán)聚體。添加外源有機(jī)質(zhì)顯著提高了周轉(zhuǎn)速率,團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率與13C累積含量呈線性關(guān)系。
這一成果近期發(fā)表于土壤學(xué)TOP期刊SBB(Peng et al., 2017,109: 81-94),得到國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià),認(rèn)為這是首次利用稀土元素和13C雙向標(biāo)記研究團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)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(xiàn)是提出了計(jì)算團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)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(tuán)聚體研究的領(lǐng)先水平(原文:…they are truly the“state of the art” at this point)。稀土元素示蹤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)研究方法將為揭示土壤有機(jī)碳物理固碳機(jī)制,構(gòu)建團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)模型等提供強(qiáng)有力的手段。
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