破解粮食安全瓶颈需要土壤微生物研究

微妙军团 2017-07-06 14:10 新三板 来源:思达派 查看原文

2013年的一项调查显示,全国范围内,农田土壤氮肥利用率不到35%,损失率高达40%~50%,相当于每年损失氮肥500亿元人民币。同时,氮素流失还造成了严重的环境危害,如水体富营养化。也就是说,传统上用物理灌溉、化学肥料、农化用品的“大水、大肥、大药”的粮食增产模式已达瓶颈。

2014年,中国科学院启动了战略性先导科技专项(B类)“土壤—微生物系统功能及调控”,旨在系统认识我国主要类型土壤微生物组成、格局及演替规律,揭示土壤微生物—作物—营养元素的相互作用机制,从而为提高养分利用率,应对我国粮食安全困局提供科技支撑。近日,《中国科学报》记者专访了该专项首席科学家、中科院城市环境研究所所长朱永官研究员,以了解这一项目最新的进展。

摸清微生物资源

朱永官告诉《中国科学报》记者,每克土壤栖息着数量超过10亿的微生物,但百分之九十九的种类和功能未知,“弄清到底有哪些微生物,是揭开土壤‘黑箱’的关键”。

专项启动后,研究人员进行了大范围土壤采样调查,还针对微生物时空分布格局开展了相关研究。朱永官介绍,以其中的一个课题为例,在短短一年时间内,研究人员跑遍了我国10个省份、13个地区,并在每个地区取3块样地,每块样地11个样品,共获得429个样品。这些样品将会在专项所有课题之间共享,并向国内同行开放,对我国土壤微生物资源研究具有重要意义。

例如,2014年9月,参与该专项的中国科学院沈阳应用生态研究所研究员韩兴国带领的研究小组针对我国北方干旱、半干旱区东西样带的科研调查,完成了约4000公里草地的土壤和植被采样工作。

在分析土壤样品中氮同位素的变化趋势后,研究人员发现了干旱指数与氮素转化的钟型关系,而细菌多样性的变化则主要出现在极端干旱地区。据此,研究人员得出结论,干旱将导致土壤氮相关微生物的变化,这可能影响草地土壤的生产力。

除了草地,随着该专项研究工作的不断展开,科研人员正在对农田、森林等不同类型的土壤微生物资源类型进行调查。

还原微生物功能

“掌握了有什么微生物,我们还要探索它们在生态系统氮磷循环中发挥什么作用。”朱永官指出,在摸清微生物资源的基础上,科研人员还要进一步对土壤微生物在养分循环过程中的功能开展研究。

据了解,土壤理化分析、氮-15原位示踪、高通量组学技术和单细胞成像技术等诸多先进的生物技术正在这项研究中被应用,帮助研究人员解析旱地农田、淹水稻田等不同类型土壤碳氮磷循环过程的微生物过程和功能。

自2014年以来,朱永官带领的团队对南方水稻田中的氮损失开展了研究。研究人员针对我国南方12个不同类型的水稻土壤,进行了大规模的野外采样。为保证土壤微生物的活性,样品必须维持4摄氏度并以最快的速度从各地运回实验室中。

随后,研究人员利用同位素技术分析了水稻土中厌氧氨氧化菌活性及其代谢过程,首次证明稻田土壤存在铁—氨氧化过程,氮素损失最高可达氮肥施用量的31%。这一成果极大丰富了传统氮肥损失的机理研究,表明除了温度和氮肥形态等环境因子外,土壤微生物在其中发挥了重要作用。只有综合考虑pH、氮肥浓度、铁元素和土壤微生物之间的关系,才能更好地评估并调控农田土壤氮转化过程。

“调控”出高效养分利用

作为专项的承担单位,中科院南京土壤所聚焦微生物与地上—地下生物的协同调控,旨在围绕植物根系、土壤和微生物的协同作用机制,探索氮磷高效利用的问题。

目前,南京土壤研究所研究员沈仁芳团队根据温室盆栽实验、野外田间实验和室内模拟的结果,发现土壤磷素的施用决定了真菌对作物的促生效果。朱永官表示,这项成果从土壤微生物—作物—磷肥利用率综合调控的角度,针对我国典型的稻麦轮作管理方式,提出了旱重水轻的磷肥施用理念(旱小麦多施磷肥、水稻季少施磷肥),“不仅能维持作物产量,而且能够防控土壤磷素过量施用带来的水体富营养化污染”。

今年10 月25日,南京土壤所组织了专项高端学术研讨会,针对土壤微生物国际前沿,联合国际土壤学优势力量共同攻关。会议上,多名世界土壤微生物领域的专家对中国科学家的贡献表示赞赏。“这些高水平研究工作是中国科学家对2015国际土壤年的重要贡献。”美国科学院院士James Tiedje如是说。“中国在土壤微生物组方面的投入代表了科学前沿,也将为农业实践提供实质性帮助。”美国佐治亚理工学院Kostas Konstantinidis教授表示。美国阿贡国家实验室的Jack Gilbert教授则认为,该专项可能改变国际土壤微生物相关研究领域的格局。

除了科学研究,研究人员还积极与氮肥生产企业开展紧密合作,努力推动研究成果尽快走进田间地头。例如,与浙江奥复托化工有限公司合作中,围绕硝化抑制剂、脲酶抑制剂提高氮肥利用效率的微生物机制,双方已经布置了野外田间试验,优化不同组合的施肥处理,发展氮肥高效利用的调控措施。

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