探訪南京土壤所

土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室——

土壤守護人，讓大地常葆“青春”

新華日報 2022年9月28日 第12版

大眾眼中稀松平常的土壤，在實驗室中卻大放光彩，變成科研“主角”。9月26日，《科技周刊》記者探訪了該國家重點實驗室，從實驗室中探尋土地鮮為人知的故事。

奔赴田間“戰(zhàn)場”，助力生態(tài)可持續(xù)發(fā)展

在河南省封丘縣，大塊鹽堿地造成作物產(chǎn)量極低。南京土壤所的科研人員先打了口深井，用地下水灌溉鹽堿地，地表的鹽被沖洗至作物根層以下，作物得以獲得良好生長環(huán)境。“我們實驗室服務(wù)于提高土壤生產(chǎn)力，改良中低產(chǎn)田。” 中國科學(xué)院南京土壤研究所副所長、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室負責(zé)人顏曉元表示，田間是“野外實驗室”?？蒲腥藛T在田間對土壤采取改良措施，進行對比實驗，通過觀察作物長勢和采樣分析土壤肥力、結(jié)構(gòu)、生物性狀來確定土地生產(chǎn)力。

秸稈經(jīng)過處理后返田增肥，提高土壤有機物含量；在土壤中加入微生物，使有機物轉(zhuǎn)化為可被作物吸收的無機物；苜蓿、大豆等固氮作物在冬天種下，吸收氮磷等養(yǎng)分后來年在土地里翻了個身，分解成為新一茬作物的肥料……研究所的科研人員為了給土地增肥，施展了化學(xué)、生物等各路辦法。不過，當(dāng)下，提高肥料利用效率更迫在眉睫。

作為糧食的“糧食”，沒被作物完全吸收的氮肥對環(huán)境造成了污染。農(nóng)田的氮肥擴散到水體中，是導(dǎo)致地表水體富營養(yǎng)化、藍藻水華爆發(fā)的重要原因之一。此外，15%的氮肥變成氨擴散到空氣中，這是PM2.5的前體物，將影響人體健康；1%的氮肥變成一氧化二氮，而1公斤一氧化二氮的溫室效應(yīng)能力相當(dāng)于298公斤的二氧化碳?！敖?jīng)過反復(fù)的田間實驗、測算，科學(xué)施肥已經(jīng)變成了一項理論知識，所有農(nóng)技推廣部門都可以實踐?！鳖仌栽f，要合理施肥，并利用機械深施，在作物需求旺盛時能及時提供養(yǎng)分，這樣就能有效減少氮肥浪費造成的經(jīng)濟、環(huán)境損失。此外，科研人員還引入了抑制劑延緩?fù)寥乐械D(zhuǎn)化過程，使得氮有更多機會被作物吸收，當(dāng)轉(zhuǎn)化速度降低，作為中間產(chǎn)物的一氧化二氮排放也會減少。

除了環(huán)境污染問題，全球變暖也與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)——稻田土壤由于淹水缺少氧氣，有機物分解產(chǎn)生甲烷，平均一畝稻田一年能排放大約15公斤甲烷，1公斤甲烷的溫室效應(yīng)能力相當(dāng)于34公斤二氧化碳?！盀榱藴p少稻田甲烷排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們進行了田間對比實驗，并通過氣相色譜分析農(nóng)田氣體，得出更優(yōu)化的水分管理辦法?！鳖仌栽榻B了“烤”田，即在水稻分蘗完成后讓田面水分自然蒸發(fā)，土壤快開裂時再灌水，如此反復(fù)幾次干濕交替，既不影響產(chǎn)量，又能減少50%的甲烷排放。

接力“野外實驗室”，精密儀器讓土地“活”起來

作為幕后工作者，實驗室時刻配合田間工作。南京土壤研究所趙旭研究員介紹，土壤樣本分為含有活體微生物的新鮮土壤、風(fēng)干土壤、烘干土壤。研究所在各地都建立了實驗站，方便隨時采樣、隨時測量土壤中養(yǎng)分和物質(zhì)的含量。不過，有些樣本卻必須要送到實驗室分析。

“我們會測量20年前的肥料對土壤和環(huán)境現(xiàn)在的影響?！壁w旭說，科研人員會提前20年給肥料做標(biāo)記，對其行為進行示蹤。例如，普通氮肥中14N約占99.6%， 15N約占0.37%；科研人員會故意改變成分，使得氮肥中15N豐度明顯提高至30%以上，這樣施入的氮肥就等于是做了記號。連續(xù)20年采集土壤和作物樣品，利用實驗室的同位素質(zhì)譜儀進行示蹤分析，研究肥料的長期行為?！岸虝r間實驗反映的是短時間的規(guī)律，長遠影響一定要長期實驗才能發(fā)現(xiàn)?！壁w旭說。

此外，質(zhì)譜儀還可以檢測作物根系分泌物?！拔覀兯囊晃谎芯繂T通過質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)一種水稻根系分泌物質(zhì)對土壤中氮轉(zhuǎn)化起到抑制作用，這有助于人工合成濃度高的抑制劑，減少氮肥損失?！蹦暇┩寥浪治鰷y試中心王曦說，除了發(fā)現(xiàn)天然抑制劑，質(zhì)譜儀還可以找到田地不能連作的“真兇”。西瓜、三七等作物在同一塊地?zé)o法連續(xù)種植多年，質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)這些作物根部分泌物含酚酸類化感物質(zhì)有機酸，使得部分有益微生物無法存活，有害微生物卻存活下來了?！白罱K我們?nèi)斯ぬ砑恿宋⑸锓柿?，并通過給土壤創(chuàng)造高溫、高濕、厭氧環(huán)境，讓有機物料高溫發(fā)酵，并添加了微生物肥料培育產(chǎn)生土壤有益微生物，抑制有害微生物?！?/p>

不過，在進入質(zhì)譜儀之前，根系分泌物還要先通過色譜分離。經(jīng)過色譜柱后，不同的物質(zhì)分離，移動到質(zhì)譜儀上。就像跑馬拉松一樣，開始大家都在一起，跑的過程中速度有快有慢，不同時間出現(xiàn)的峰表示不同的物質(zhì)。

以往科研人員像老中醫(yī)一樣，通過“望聞問切”肉眼觀察土壤結(jié)構(gòu)。如今，實驗室采用CT對土壤進行360°全方位掃描，通過“體檢”得出土壤孔隙大小分布、連通性、彎曲度等結(jié)構(gòu)特征，讓不透明的土壤露出真面目。“‘天晴一把刀，下雨一團糟’，說的就是黏土?！蓖蹶亟榻B，通過掃描土壤結(jié)構(gòu)，科研人員能更好地“對癥下藥”，例如在黏土加入秸稈，利用秸稈自身的空心疏通土壤空間，并引來蚯蚓等動物，讓土壤“活”起來。

“時間膠囊”與土壤樣本展開“時空對話”

東北黑土地、陜西黃土地、海南紅土地……一方土壤標(biāo)本館，從南到北，從東到西，陳列著來自全國各地的土壤?！皬V東、福建的紅土地比較酸，適合種茶葉、柑橘、藍莓等作物。東北黑土地十分肥沃，同樣的水稻產(chǎn)量，所需肥料是長三角地區(qū)的一半?！鳖仌栽f。

在標(biāo)本館中間，有一塊“五色土”，中間被玻璃分開，填滿了全國各地的代表性土壤。在五色土的另一邊，墻上陳列著來自世界各地的泥土——坦桑尼亞、墨西哥、巴西……麻雀雖小，五臟俱全。這是土壤的觀賞盛宴，但另一個“土壤樣本館”，帶來了過去與現(xiàn)在的“時空對話”。

“隨著時間流逝，土壤性狀也會持續(xù)變化。如果我們把某個時間的土壤風(fēng)干、保存、裝瓶，就能形成一個土壤‘時間膠囊’，為之后的研究提供不同的研究斷面?！蹦暇┩寥姥芯克寥婪种行泥P夢思介紹，長時間樣品資源十分稀缺，對長期實驗意義非常重大。據(jù)介紹，樣品長期保存系統(tǒng)包括研究所內(nèi)的1個中心庫和野外臺站的11個區(qū)域庫。在減少運輸成本的同時，所有數(shù)據(jù)都上傳到同一平臺進行信息化管理并共享，樣品數(shù)據(jù)整合模板、保存規(guī)范、硬件設(shè)備都有統(tǒng)一要求。

記者在現(xiàn)場看到，每個樣品瓶身都貼上了標(biāo)簽，掃描標(biāo)簽二維碼，就能獲得樣品所有信息。此外，架子一側(cè)裝有智慧操作屏，按下“左移”或“右移”按鈕，架子就會移動和另一側(cè)架身閉合，留出另一側(cè)過道，以節(jié)省空間?！拔覀冊诤笈_還建立了虛擬化模型，點擊某個位置就能知道放置了什么樣品?！编P夢思表示，保存歷史樣品能夠做到很多以前做不到的事情，直觀研究當(dāng)時的氣候變化、環(huán)境變化等。百年以后，人們還可以通過樣本和百年前展開時空對話。

由于土壤在日常生活中隨處可見、稀松平常，土壤保護以及土壤學(xué)所受重視程度并不夠。實際上，土壤與氣候、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。從土壤中分離的鏈霉素在抗結(jié)核方面發(fā)揮了強大功效，土壤學(xué)知識甚至可以應(yīng)用于公安查案?！把芯克凸膊柯?lián)合建立了現(xiàn)場物證溯源實驗室，破了很多案子?！鳖仌栽e例，曾經(jīng)有個交通事故，司機肇事逃逸，但傷者身上留下了土壤、灰塵，實驗室通過分析這些土壤與灰塵，確定了嫌疑人的所在地，幫助警方縮小了嫌疑人查找范圍。

“我們還想解決一些土壤障礙問題?！鳖仌栽f，我國一年進口約1.6億噸糧食，主要來自阿根廷、巴西、美國等地?！叭绻驗閲H形勢、氣候變化或者疫情原因不能進口，那糧食安全怎么保證？去開發(fā)鹽堿地等障礙土壤?！鳖仌栽f，實驗室還參與保護了耕地“大熊貓”東北黑土地，并致力修復(fù)和治理被污染的土壤?！巴寥雷畲蟮墓δ芫褪蔷S持人類對食物的需求?！鳖仌栽硎?，土壤起支撐人類社會發(fā)展的作用。他期望，未來科研人員能繼續(xù)發(fā)揮好土壤的功能、保護好土壤的功能。