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    土壤日,我们想说说水污染的事
    来源:科学大院  作者:贾仲君  点击次数:16055  更新时间:2020-12-04  【打印此页】  【关闭

    明天是第7个“世界土壤日”。我们都知道,万物土中生,土壤关系到千家万户的 “米袋子”“菜篮子”,其实,土壤还关系到大家的“水缸子”。

    (图片来源:veer)

    比如,有些引起水污染的“幕后黑手”就藏在土壤里……


    水污染和土壤有啥关系?

    地下水是“水缸子”的重要来源。但是,土壤中过量的养分元素,很容易进入地下水形成污染,其中就有氮肥过量施用导致的硝酸盐污染(毕晶晶, et al.2010)。根据世界卫生组织国际癌症研究机构的报道,硝酸盐是潜在的致癌致剂物质。此外,土壤中的氮磷养分也可能进入湖泊,为藻类生长提供大量的营养,消耗水中的氧气,导致水质恶化,产生水体“富营养化”。

    (图片来源:veer)

    我国粮食主产区地下水硝酸盐污染较为严重。根据2011年的调查分析,641眼井中,73.8%的地下水为IV-V类,主要污染物为氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮(2011.国家环保部)。同时,我国不少著名湖泊均发生过不同程度的“富营养化”现象,据统计全球70%的天然湖泊处于富营养化状态。目前,我国地下水污染情况有了显著改善,但仍需高度重视化肥的合理施用,更好控制氮磷养分流失。


    土壤微生物,地下水污染背后的“黑手”

    庄稼一枝花,全靠肥当家。1908年,德国化学家哈伯首先发明了化学合成氨技术,把空气中植物不能利用的N2,转化为生物可利用的铵态氮肥,极大促进了粮食生产,哈伯因此获得了1918年诺贝尔奖。

    目前全球化学氮肥使用量每年约1亿吨。绝大部分氮肥以铵态氮肥的形式进入土壤后,由于其带有阳离子,通常吸附在土壤颗粒,移动性较差,也有利于植物吸收利用。亚硝酸盐和硝酸盐肥料的流动性强(陈效民 et al., 2002) ,容易造成污染,生产中使用较少。但是,土壤中的氨氧化菌,能够把铵态氮肥氧化为硝酸盐肥料,产生的亚硝酸盐和硝酸盐随着地表径流,很容易进入地下水或湖泊,导致硝酸盐污染和水体富营养化。

    事实上,氨氧化菌也是全球氮循环的关键限速步骤。首先,氨氧化菌把铵态氮转化为亚硝酸盐,然后,硝化菌将亚硝酸盐快速转化为硝酸盐。这些亚硝酸盐和硝酸盐尽管也能被植物利用,但由于其移动性强,容易产生地下水污染,是微生物带来的负面效应。

    如何发展精准施肥策略,促进作物氮肥利用率,抑制硝化微生物活性,降低土壤中硝酸盐污染,是农业生产和研究中的重要问题。

    氨氧化微生物导致水体污染的原理(图片来源:作者提供)


    如何卡住微生物的“黑手”

    植物既能利用铵态氮肥、也可利用硝酸盐氮肥。因此,开发硝化抑制剂,配合铵态氮肥使用,就能够使得氨氧化菌失去活性,防止铵态氮肥转化为硝酸盐,减少土壤中硝酸盐含量,防范地下水污染。

    科学家已经开发了很多化学硝化抑制剂,并将其应用于农业生产(孙志梅 et al., 2008)。目前使用较多的抑制剂包括硝化抑制剂的产品有双氰胺(DCD)、3.4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)。此外,也有一些较好的脲酶抑制剂,如氢醌(HQ) 和丁基硫代磷酰三胺(NBPT)等,能够降低尿素水解。延缓铵态氮肥的释放,提高植物氮肥利用率。

    但是,化学抑制剂可能产生二次污染,欧盟规定,每天摄入量为1毫克DCD双氰胺每公斤体重,极可能对人体造成危害。例如,草地牧场施用双氰胺可能被奶牛吸收并进入牛奶,进而对人类产生潜在危害,据此,新西兰的双氰胺化肥已经停止施用。

    因此,近年来,生物硝化抑制剂已经成为新的趋势。例如,如水稻根系分泌的1,9-癸二醇,能够显著抑制土壤硝化微生物过程,提供水稻氮素利用率(Sun et al., 2016)。

    此外, 研究氨氧化菌的基本性质,也能促进硝化抑制剂的更好发展。例如古菌的细胞是细菌的1/10,因此,需要发展纳米级的抑制剂颗粒,才能有效降低氨氧化古菌的活性。同时,中性和碱性土壤更适合细菌生长,作用更强,需要发展氨氧化细菌抑制剂(Jia et al., 2020. Pedosphere)。


    结语

    虽然可以通过抑制剂遏制氨氧化菌,但是人类毕竟是农业生产的主体,合理施肥和科学施肥才是农业可持续发展的根本,也是保护水体生态环境的关键。

    随着智慧农业的快速发展,缓/控式肥料,精准施肥,甚至可能通过先进的分子生物学和合成生物学技术,使得非豆科植物自身具有固氮功能,将会获得更高的经济效益、生态效益和社会效益,形成环境友好、生态健康的现代化农业。



    参考文献:

    [1] 国家环境保护部. 2011. 全国地下水污染防治规划。http://www.gov.cn/gongbao/content/2012/content_2121713.htm 

    [2] 陈效民, 邓建才, 张佳宝, 朱安宁, 潘友育. 2002. 黄淮海平原主要土类中硝态氮水平运移规律. 环境科学:96-99

    [3] 毕晶晶, 彭昌盛, and 胥慧真 (2010) 地下水硝酸盐污染与治理研究进展综述. 地下水 32: 97-102

    [4]孙志梅, 武志杰, 陈利军, and 马星竹 (2008) 硝化抑制剂的施用效果、影响因素及其评价. 应用生态学报: 1611-1618

    [5] Sun, L., Lu, Y., Yu, F., Kronzucker, H.J., and Shi, W. (2016) Biological nitrification inhibition by rice root exudates and its relationship with nitrogen-use efficiency. New Phytologist 212: 646-656. 

    [6] Jia, Z., Zhou, X., Xia, W., Fornara, D., Wang, B., Wasson, E.A. et al. (2020) Evidence for niche differentiation of nitrifying communities in grassland soils after 44 years of different field fertilization scenarios. Pedosphere 30: 87-97


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