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实验室的故事⑤ | 土壤守护者,他们让地球“年轻”

来源:【交汇点新闻客户端】

路边田间,山林河川,土壤无处不在。有这样一群人,他们每年一半时间奔波在全国各地,和土壤打交道——他们来自中国科学院南京土壤研究所(以下简称“南京土壤所”)土壤与农业可持续发展国家重点实验室。

大众眼中稀松寻常的土壤,在实验室中却大放光彩,变成科研“主角”。9月26日,《科技周刊》记者探访了该国家重点实验室,从实验室中探寻土地鲜为人知的故事。

田间实验室

奔赴田间“战场”,助力生态可持续发展

在河南省封丘县,大块盐碱地造成作物产量极低。南京土壤所的科研人员先打了口深井,用地下水灌溉盐碱地,地表的盐被冲洗至作物根层以下,作物得以获得良好生长环境。“我们实验室服务于提高土壤生产力,改良中低产田。” 中国科学院南京土壤研究所副所长、土壤与农业可持续发展国家重点实验室负责人颜晓元表示,田间是“野外实验室”。科研人员在田间对土壤采取改良措施,进行对比实验,通过观察作物长势和采样分析土壤肥力、结构、生物性状来确定土地生产力。

秸秆经过处理后返田增肥,提高土壤有机物含量;在土壤中加入微生物,使有机物转化为可被作物吸收的无机物;苜蓿、大豆等固氮作物在冬天种下,吸收氮磷等养分后来年在土地里翻了个身,分解成为新一茬作物的肥料……研究所的科研人员为了给土地增肥,施展了化学、生物等各路办法。不过,当下,提高肥料利用效率更迫在眉睫。

作为粮食的“粮食”,没被作物完全吸收的氮肥对环境造成了污染。农田的氮肥扩散到水体中,是导致地表水体富营养化、蓝藻水华爆发的重要原因之一。此外,15%的氮肥变成氨扩散到空气中,这是PM2.5的前体物,将影响人体健康;1%的氮肥变成一氧化二氮,而1公斤一氧化二氮的温室效应能力相当于298公斤的二氧化碳。“经过反复的田间实验、测算,科学施肥已经变成了一项理论知识,所有农技推广部门都可以实践。”颜晓元说,要合理施肥,并利用机械深施,在作物需求旺盛时能及时提供养分,这样就能有效减少氮肥浪费造成的经济、环境损失。此外,科研人员还引入了抑制剂延缓土壤中氮转化过程,使得氮有更多机会被作物吸收,当转化速度降低,作为中间产物的一氧化二氮排放也会减少。

除了环境污染问题,全球变暖也与农业生产有关——稻田土壤由于淹水缺少氧气,有机物分解产生甲烷,平均一亩稻田一年能排放大约15公斤甲烷,1公斤甲烷的温室效应能力相当于34公斤二氧化碳。“为了减少稻田甲烷排放,实现可持续发展,我们进行了田间对比实验,并通过气相色谱分析农田气体,得出更优化的水分管理办法。”颜晓元介绍了“烤”田,即在水稻分蘖完成后让田面水分自然蒸发,土壤快开裂时再灌水,如此反复几次干湿交替,既不影响产量,又能减少50%的甲烷排放。

接力“野外实验室”,精密仪器让土地“活”起来

作为幕后工作者,实验室时刻配合田间工作。南京土壤研究所赵旭研究员介绍,土壤样本分为含有活体微生物的新鲜土壤、风干土壤、烘干土壤。研究所在各地都建立了实验站,方便随时采样、随时测量土壤中养分和物质的含量。不过,有些样本却必须要送到实验室分析。

“我们会测量20年前的肥料对土壤和环境现在的影响。”赵旭说,科研人员会提前20年给肥料做标记,对其行为进行示踪。例如,普通氮肥中14N约占99.6%, 15N约占0.37%;科研人员会故意改变成分,使得氮肥中 15N丰度明显提高至30%以上,这样施入的氮肥就等于是做了记号。连续20年采集土壤和作物样品,利用实验室的同位素质谱仪进行示踪分析,研究肥料的长期行为。“短时间实验反映的是短时间的规律,长远影响一定要长期实验才能发现。”赵旭说。

此外,质谱仪还可以检测作物根系分泌物。“我们所的一位研究员通过质谱仪发现一种水稻根系分泌物质起对土壤中氮转化起到抑制作用,这有助于人工合成浓度高的抑制剂,减少氮肥损失。”南京土壤所分析测试中心王曦说,除了发现天然抑制剂,质谱仪还可以找到田地不能连作的“真凶”。西瓜、三七等作物在同一块地无法连续种植多年,质谱仪分析发现这些作物根部泌分析物含酚酸类化感物质有机酸,使得部分有益微生物无法存活,有害微生物却存活下来了。“最终我们人工添加了微生物肥料,并通过给土壤创造高温、高湿、厌氧环境,让有机物料高温发酵,并添加了微生物肥料培育产生土壤有益微生物,抑制有害微生物。”

不过,在进入质谱仪之前,根系分泌物还要先通过色谱分离。经过色谱柱后,不同的物质分离,移动到质谱仪上。就像跑马拉松一样,开始大家都在一起,跑的过程中速度有快有慢,不同时间出现的峰表示不同的物质。

以往科研人员像老中医一样,通过“望闻问切”肉眼观察土壤结构。如今,实验室采用CT对土壤进行360°全方位扫描,通过“体检”得出土壤孔隙大小分布、连通性、弯曲度等结构特征,让不透明的土壤露出真面目。“‘天晴一把刀,下雨一团糟’,说的就是粘土。”王曦介绍,通过扫描土壤结构,科研人员能更好地“对症下药”,例如在粘土加入秸秆,利用秸秆自身的空心疏通土壤空间,并引来蚯蚓等动物,让土壤“活”起来。

“时间胶囊”与土壤样本展开“时空对话”

东北黑土地、陕西黄土地、海南红土地……一方土壤标本馆,从南到北,从东到西,陈列着来自全国各地的土壤。“广东、福建的红土地比较酸,适合种茶叶、柑橘、蓝莓等作物。东北黑土地十分肥沃,同样的水稻产量,所需肥料是长三角地区的一半。”颜晓元说。

在标本馆中间,有一块“五色土”,中间被玻璃分开,填满了全国各地的代表性土壤。在五色土的另一边,墙上陈列着来自世界各地的泥土——坦桑尼亚,墨西哥,巴西……麻雀虽小,五脏俱全。这是土壤的观赏盛宴,但另一个“土壤样本馆”,带来了过去与现在的“时空对话”。

“随着时间流逝,土壤性状也会持续变化。如果我们把某个时间的土壤风干、保存、装瓶,就能形成一个土壤‘时间胶囊’,为之后的研究提供不同的研究断面。”南京土壤研究所土壤分中心郏梦思介绍,长时间样品资源十分稀缺,对长期实验意义非常重大。据介绍,样品长期保存系统包括研究所内的1个中心库和野外台站的11个区域库。在减少运输成本的同时,所有数据都上传到同一平台进行信息化管理并共享,样品数据整合模板、保存规范、硬件设备都有统一要求。

记者在现场看到,每个样品瓶身都贴上了标签,扫描标签二维码,就能获得样品所有信息。此外,架子一侧装有智慧操作屏,按下“左移”或“右移”按钮,架子就会移动和另一侧架身闭合,留出另一侧过道,以节省空间。“我们在后台还建立了虚拟化模型,点击某个位置就能知道放置了什么样品。”郏梦思表示,保存历史样品能够做到很多以前做不到的东西,直观研究当时的气候变化、环境变化等。百年以后,人们还可以通过样本和百年前展开时空对话。

CT扫描获得的土壤空隙结构

由于土壤在日常生活中随处可见、稀松平常,土壤保护以及土壤学所受重视程度并不够。实际上,土壤与气候、农业、生态环境和可持续发展密切相关。从土壤中分离的链霉素在抗结核方面发挥了强大功效,土壤学知识甚至可以应用于公安查案。“研究所和公安部联合建立了现场物证溯源实验室,破了很多案子。”颜晓元举例,曾经有个交通事故,司机肇事逃逸,但伤者身上留下了土壤、灰尘。实验室通过分析这些土壤与灰尘,确定了嫌疑人的所在地,帮助警方缩小了嫌疑人查找范围。

“我们还想解决一些土壤障碍问题。”颜晓元说,我国一年进口约1.6亿吨粮食,主要来自阿根廷、巴西、美国等地。“如果因为国际形势、气候变化或者疫情原因不能进口,那粮食安全怎么保证?去开发盐碱地等障碍土壤。”颜晓元说,实验室还参与保护了耕地“大熊猫”东北黑土地,并致力修复和治理被污染的土壤。“土壤最大的功能就是维持人类对食物的需求。”颜晓元表示,万物生土,土壤起支撑人类社会发展的作用。他期望,未来科研人员能继续发挥好土壤的功能、保护好土壤的功能。

新华日报·交汇点记者 张宣 实习生 孙广哲

编辑: 叶真

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