來源：中國科學(xué)院南京土壤研究所網(wǎng)站
我國土壤修復(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)聚體動態(tài)變化。
鐵是所有生物生長發(fā)育的必須營養(yǎng)元素之一，包括植物和動物，因為其參與生物體內(nèi)眾多氧化還原過程，同時還參與植物體內(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，是植物生長發(fā)育的限制因子，然而，目前關(guān)于植物如何同時響應(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存在的情況下擬南芥的生長狀況。發(fā)現(xiàn)鹽毒害(外源添加氯化鈉)能顯著緩解擬南芥對缺鐵脅迫的響應(yīng)，即葉片的失綠現(xiàn)象有所緩解，同時伴隨著根系細(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，主要是通過上調(diào)FRD3 (FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE3)，YSL2(YELLOW STRIPE-LIKE)和NAS1(NICOTIANAMINE SYNTHASE1)這些鐵長距離運輸相關(guān)基因的表達(dá)，從而有效的改善了地上部鐵的營養(yǎng)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(jìn)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(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)。
《中國土壤系統(tǒng)分類》考慮其在我國青藏高原分布廣泛，在國際土壤分類領(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內(nèi)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(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查研究，對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。
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)。他人報道認(rèn)為(Qiu, Nature, 2016, 529, 7585)，青藏高原草氈表層儲存了約180億噸有機(jī)碳，占全國1米土體有機(jī)碳儲量的1/5。
研究團(tuán)隊針對祁連山區(qū)草氈表層富集土壤有機(jī)碳的特點，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)測出30cm土層有機(jī)碳儲量超過80%，遠(yuǎn)高于前人預(yù)測而更接近于實際調(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；海拔相對較低的地區(qū)，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(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，2017, 37, 20, doi:10.5846/stxb201608031598; Pedosphere, in press)。
相關(guān)研究對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(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(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個水稻品種15N同位素標(biāo)記實驗，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)，得到了國際同行的高度評價，認(rèn)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(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，實現(xiàn)化肥氮零增長的國家戰(zhàn)略，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。研究成果也得到了超過100家國內(nèi)外媒體和機(jī)構(gòu)(美國科學(xué)促進(jìn)會AAAS、《印度時報》、《經(jīng)濟(jì)時報》等)的廣泛關(guān)注和報道。
首次利用稀土元素和13C雙向標(biāo)記研究團(tuán)聚體動態(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。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(biāo)記團(tuán)聚體的方法，即每一粒級團(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)路徑與速率計算方法。發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體向相鄰粒級的周轉(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)，得到國際同行的高度評價，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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