2013年的一項調查顯示，全國範圍內，農田土壤氮肥利用率不到35%，損失率高達40%~50%，相當於每年損失氮肥500億元人民幣。同時，氮素流失還造成了嚴重的環境危害，如水體富營養化。也就是說，傳統上用物理灌溉、化學肥料、農化用品的“大水、大肥、大藥”的糧食增產模式已達瓶頸。
在許多土壤微生物專家看來，土壤氮肥利用和微生物緊密相關，犧牲環境質量來保障糧食安全不可持續，而研究並利用土壤微生物將是提高產量，發展可持續農業健康生產方式的有效途徑。
2014年，中國科學院啟動了戰略性先導科技專項（B類）“土壤—微生物係統功能及其調控”，旨在係統認識我國主要類型土壤微生物組成、格局及演替規律，揭示土壤微生物—作物—營養元素的相互作用機製，從而為提高養分利用率，應對我國糧食安全困局提供科技支撐。近日，《中國科學報》記者專訪了該專項首席科學家、中科院城市環境研究所所長朱永官研究員，以了解這一項目最新的進展。
摸清微生物資源
朱永官告訴《中國科學報》記者，每克土壤棲息著數量超過10億的微生物，但百分之九十九的種類和功能未知，“弄清到底有哪些微生物，是揭開土壤‘黑箱’的關鍵”。
專項啟動後，研究人員進行了大範圍土壤采樣調查，還針對微生物時空分布格局開展了相關研究。朱永官介紹，以其中的一個課題為例，在短短一年時間內，研究人員跑遍了我國10個省份、13個地區，並在每個地區取3塊樣地，每塊樣地11個樣品，共獲得429個樣品。這些樣品將會在專項所有課題之間共享，並向國內同行開放，對我國土壤微生物資源研究具有重要意義。
例如，2014年9月，參與該專項的中國科學院沈陽應用生態研究所研究員韓興國帶領的研究小組針對我國北方幹旱、半幹旱區東西樣帶的科研調查，完成了約4000公裏草地的土壤和植被采樣工作。
在分析土壤樣品中氮同位素的變化趨勢後，研究人員發現了幹旱指數與氮素轉化的鍾型關係，而細菌多樣性的變化則主要出現在極端幹旱地區。據此，研究人員得出結論，幹旱將導致土壤氮相關微生物的變化，這可能影響草地土壤的生產力。
除了草地，隨著該專項研究工作的不斷展開，科研人員正在對農田、森林等不同類型的土壤微生物資源類型進行調查。
還原微生物功能
“掌握了有什麽微生物，我們還要探索它們在生態係統氮磷循環中發揮什麽作用。”朱永官指出，在摸清微生物資源的基礎上，科研人員還要進一步對土壤微生物在養分循環過程中的功能開展研究。
據了解，土壤理化分析、氮-15原位示蹤、高通量組學技術和單細胞成像技術等諸多先進的生物技術正在這項研究中被應用，幫助研究人員解析旱地農田、淹水稻田等不同類型土壤碳氮磷循環過程的微生物過程和功能。
自2014年以來，朱永官帶領的團隊對南方水稻田中的氮損失開展了研究。研究人員針對我國南方12個不同類型的水稻土壤，進行了大規模的野外采樣。為保證土壤微生物的活性，樣品必須維持4攝氏度並以最快的速度從各地運回實驗室中。
隨後，研究人員利用同位素技術分析了水稻土中厭氧氨氧化菌活性及其代謝過程，首次證明稻田土壤存在鐵—氨氧化過程，氮素損失最高可達氮肥施用量的31%。這一成果極大豐富了傳統氮肥損失的機理研究，表明除了溫度和氮肥形態等環境因子外，土壤微生物在其中發揮了重要作用。隻有綜合考慮pH、氮肥濃度、鐵元素和土壤微生物之間的關係，才能更好地評估並調控農田土壤氮轉化過程。
“調控”出高效養分利用
作為專項的承擔單位，中科院南京土壤所聚焦微生物與地上—地下生物的協同調控，旨在圍繞植物根係、土壤和微生物的協同作用機製，探索氮磷高效利用的問題。
目前，南京土壤研究所研究員沈仁芳團隊根據溫室盆栽實驗、野外田間實驗和室內模擬的結果，發現土壤磷素的施用決定了真菌對作物的促生效果。朱永官表示，這項成果從土壤微生物—作物—磷肥利用率綜合調控的角度，針對我國典型的稻麥輪作管理方式，提出了旱重水輕的磷肥施用理念（旱小麥多施磷肥、水稻季少施磷肥），“不僅能維持作物產量，而且能夠防控土壤磷素過量施用帶來的水體富營養化汙染”。
今年10 月25日，南京土壤所組織了專項高端學術研討會，針對土壤微生物國際前沿，聯合國際土壤學優勢力量共同攻關。會議上，多名世界土壤微生物領域的專家對中國科學家的貢獻表示讚賞。“這些高水平研究工作是中國科學家對2015國際土壤年的重要貢獻。”美國科學院院士James Tiedje如是說。“中國在土壤微生物組方麵的投入代表了科學前沿，也將為農業實踐提供實質性幫助。”美國佐治亞理工學院Kostas Konstantinidis教授表示。美國阿貢國家實驗室的Jack Gilbert教授則認為，該專項可能改變國際土壤微生物相關研究領域的格局。
除了科學研究，研究人員還積極與氮肥生產企業開展緊密合作，努力推動研究成果盡快走進田間地頭。例如，與浙江奧複托化工有限公司合作中，圍繞硝化抑製劑、脲酶抑製劑提高氮肥利用效率的微生物機製，雙方已經布置了野外田間試驗，優化不同組合的施肥處理，發展氮肥高效利用的調控措施。
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