南京土壤所贾仲君：与土壤微生物作战

中国科学, 2013-03-13

■本报记者 周熙檀

近年来，我国粮食产量每年增加近10%，但与之相对，每年化肥用量增速却高达51%。养分利用率低下致使我国每年仅氮肥损失就达140亿美元。

而最近，中国科学院南京土壤研究所贾仲君课题组发现了氨氧化古菌化能无机自养代谢的秘密，揭示土壤微生物是氮肥流失的“罪魁祸首”，并暗示研究研制相关硝化抑制剂，与土壤微生物作战可能提高氮肥利用率。

氮肥损失的“罪魁祸首”

我国化肥生产和消费量居全球首位。2011年我国氮肥产量高达4000多万吨，占全球氮肥用量30%强。然而，氮肥利用率只有30%～35%，损失严重。

中科院院士朱兆良告诉《中国科学报》记者，氮肥施入土壤后的去向，在不同条件下变化很大。总的来看，氮肥在土壤中的残留率约为13%，损失率约高达52%，高产地区氮肥残留率和损失率则可能较高。

据了解，当前，我国农田使用的氮肥主要是尿素和铵态氮肥，前者经水解可产生铵。土壤铵态氮经历至少一次的硝化过程后，变成硝态氮，此后，硝态氮经反硝化，产生氮气，完成全球氮的生物地球化学循环。

而其中的硝化过程，是在氨氧化微生物的驱动下完成的。

所以，“土壤微生物是化学氮肥损失的‘罪魁祸首’。”贾仲君说。

土壤生物学是“最后前沿”

2004年，《科学》专刊特意强调了土壤生物的多样性、复杂性和重要性，指出土壤生物学是“最后的前沿”。

原来，仅在指甲盖大小的1克土壤中，微生物数量就通常在1亿～100亿之间，而我们对其中99%微生物的功能一无所知。所以，这些微生物又被称为土壤“黑箱”。

然而，微生物个头极其微小，如何在“黑箱”中找到与氮肥损失相关的微生物，如氨氧化古菌，是科学前沿，亦是研究难点。

2012年，贾仲君课题组证实，复杂的自然土壤环境中存在以尿素水解为基础的古菌氨氧化过程。

最近，该课题组又利用13C-示踪技术，结合新一代高通量测序技术，在复杂土壤环境中找到了铵态氮转化的关键微生物，发现了其化能无机自养代谢的秘密，相关研究结果在线发表于《环境微生物》杂志。

提高氮肥利用率的新启示

贾仲君告诉记者：“利用新技术，我们能掌握活性氨氧化古菌的脲酶基因，并进一步针对其特点设计抑制剂。将这种抑制剂加入肥料，即可能抑制脲酶作用，有效控制尿素水解，防止氮肥转化为易损失的硝态氮，提高氮肥利用率。”

土壤所研究员施卫明则认为，以前在生产上使用硝化抑制剂时，有时候有效果，有时候却没有效果，新的研究表明，古菌也参与了硝化过程，这为提高氮肥利用率及污染控制提供了新的启示。

但是，由于微生物数量众多，而相关研究所知甚少，再加之我国土壤体系复杂，施卫明表示：“新的硝化抑制剂有多大控制前景和效果尚不好评价。”

朱兆良也表达了类似的看法，“硝化抑制剂受到国内外普遍关注，但其有效性易受土壤条件的影响”。

朱兆良指出，理论上，硝化抑制剂在抑制铵态氮硝化的同时，会促进氨的挥发。“氨挥发和铵态氮硝化都以氨为基础，且两个途径相互联系，抑制了某一个，则可能促进另外一个。”因此，在有利于氨挥发的情况下，很难判断使用硝化抑制剂对提高氮肥利用率的效果。