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土壤污染修复课题逐步深入多领域研究取得进展

2017-05-16 12:01:46

【中国环保在线行业动态】我国土壤修复工作仍处于起步阶段，各种土壤污染数据还在搜集整应当中。南京土壤研究所课题组就此展开了深入摸底，在青藏高原草毡表层构成进程与功能研究中获得了进展，并且首次利用稀土元素和13C双向标记研究团圆体动态变化。
　　铁是所有生物生长发育的必须营养元素之1，包括植物和动物，由于其参与生物体内众多氧化还原进程，同时还参与植物体内叶绿素的构成。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情势存在的，其有效性很低。
　　据报导，世界上大约有3分之1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1样，是植物生长发育的限制因子，但是，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态。发现盐毒害(外源添加氯化钠)能显著减缓拟南芥对缺铁胁迫的响应，即叶片的失绿现象有所减缓，同时伴随着根系细胞壁半纤维素含量的下降，和半纤维素/细胞壁所吸附的铁含量的下降，表明外源添加氯化钠能通过增进细胞壁所吸附的铁的释放到达体内铁的再利用。
　　另外，外源添加氯化钠也能增进铁从根部到地上部份的转运，主要是通过上调FRD3 (FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE3)，YSL2(YELLOW STRIPE-LIKE)和NAS1(NICOTIANAMINE SYNTHASE1)这些铁长距离运输相干基因的表达，从而有效的改良了地上部铁的营养状态。本研究为缺铁土壤上植物的生长提供了1种新的策略。
　　在青藏高原草毡表层构成进程与功能研究获得进展
　　草毡表层(mattic epipedon)是青藏高原及部份高山地带独特的由土壤物资与活/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点和产生进程的综合体现。
　　《中国土壤系统分类》斟酌其在我国青藏高原散布广泛，在国际土壤分类领域首次将其划为诊断表层，赋予其重要的土壤产生分类学地位，但对其构成机理、空间散布和生态水文功能等方面的研究国内外鲜有报导。
　　南京土壤研究所张甘霖课题组最近几年来对青藏高原东北缘祁连山区进行了系统的调查研究，对草毡表层的构成进程及其生态水文效应，不同发育程度草毡表层空间散布特点及其影响因素等方面获得了重要认识。
　　研究发现，草毡表层的细土物资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，增进草毡表层的构成，而草毡表层的发育有助于捕获更多降尘并保护其免受腐蚀，细土层不断加积，是祁连山区土壤构成的关键进程(Geoderma, 2016, 282, 9⑴5, doi: 10.1016/j.geoderma.2016.07.003)。
　　细土物资的积累为高寒山区另外一关键成土进程-土壤有机碳的积累提供了基质。他人报导认为(Qiu, Nature, 2016, 529, 7585)，青藏高原草毡表层贮存了约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，开发了用于摹拟土壤有机碳深度散布的分段指数函数，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下降了土壤容重(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)；斟酌到草毡表层下覆土层多为高砾石含量的冰碛物，草毡表层是土壤水份、营养保蓄的关键层段，是青藏高原及高山土壤的主要功能区(Journal of Hydrology, 2014, 519, 3086⑶093, doi: 10.1016/j.jhydrol.2014.10.054; European Journal of Soil Science,2017,68,270⑵80,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”，控制着土壤水份的保蓄和径流产生。
　　祁连山区草毡表层的空间散布呈明显的区域聚集特点，集中散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下降呈增强的趋势；海拔相对较低的地区，地势平缓(利于土壤水份聚集和保持)和温度适合(利于植被生长和根系缠结)是增进草毡表层产生发育的关键因素(Geoderma Regional,2017,10,1⑴0, doi:10.1016/j.geodrs.2017.02.001; 生态学报，2017, 37, 20, doi:10.5846/stxb201608031598; Pedosphere, in press)。
　　相干研究对青藏高原土壤构成进程与保育、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发掘到新的调控氮素利用效力的生物硝化抑制剂1,9-癸2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。保持氮素以NH4+的情势存在是提高作物氮素利用率的关键之1。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10分必要。迄今为止，BNIs只从Brachiaria humidicola和高粱中报导过。
　　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搜集系统和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，首次从重要食粮作物水稻中鉴定到1种新型的BNIs——1,9-癸2醇，发现其主要通过抑制氨单加氧酶(AMO)进程来抑制硝化作用，并明确了1,9-癸2醇是水稻根系分泌的天然物资，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1步通过19个水稻品种15N同位素标记实验，揭露了生物硝化抑制效应、1,9癸2醇含量与水稻品种氮吸收利用效力之间有密切的联系。
　　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1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，指点氮肥减施增效，实现化肥氮零增长的国家战略，具有重要的理论意义和利用价值。研究成果也得到了超过100家国内外媒体和机构(美国科学增进会AAAS、《印度时报》、《经济时报》等)的广泛关注和报导。
　　首次利用稀土元素和13C双向标记研究团圆体动态变化
　　团粒结构是肥沃土壤的物资基础，有机质是构成团粒结构的重要胶结剂。如何提高土壤有机碳，增进团粒结构构成1直为土壤学研究热门。团圆体构成稳定与有机质周转密切相干，目前已构成共鸣认为团圆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进程中团圆体是由哪些小团圆体构成的，有机质矿化进程中大团圆体又破碎成哪些小团圆体，也不清楚有机质如何进入团圆体。其关键缘由是我们缺少类似于13C/14C示踪有机质周转的方法来示踪团圆体周转路径，也致使团圆体动态模型摹拟研究难以获得突破。
　　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圆体的方法，即每粒级团圆体用1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圆体的重新散布，提出了团圆体周转路径与速率计算方法。发现团圆体向相邻粒级的周转比重较大，大团圆体周转速率要快于小团圆体。添加外源有机质显著提高了周转速率，团圆体周转速率与13C积累含量呈线性关系。
　　这1成果近期发表于土壤学TOP期刊SBB(Peng et al., 2017，109: 81⑼4)，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双向标记研究团圆体动态变化(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圆体周转速率(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1工作真正代表了团圆体研究的领先水平(原文：…they are truly the“state of the art” at this point)。稀土元素示踪团圆体周转研究方法将为揭露土壤有机碳物理固碳机制，构建团圆体周转模型等提供强有力的手段。
　　原标题：土壤污染修复研究进展解析

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