土壤日，我們想說說水污染的事

作者：賈仲君（中國科學院南京土壤研究所）

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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明天是第7個“世界土壤日”。我們都知道，萬物土中生，土壤關系到千家萬戶的 “米袋子”“菜籃子”，其實，土壤還關系到大家的“水缸子”。

（圖片來源：veer）

比如，有些引起水污染的“幕后黑手”就藏在土壤里……

水污染和土壤有啥關系？

地下水是“水缸子”的重要來源。但是，土壤中過量的養(yǎng)分元素，很容易進入地下水形成污染，其中就有氮肥過量施用導致的硝酸鹽污染(畢晶晶, et al.2010)。根據世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構的報道，硝酸鹽是潛在的致癌致劑物質。此外，土壤中的氮磷養(yǎng)分也可能進入湖泊，為藻類生長提供大量的營養(yǎng)，消耗水中的氧氣，導致水質惡化，產生水體“富營養(yǎng)化”。

（圖片來源：veer）

我國糧食主產區(qū)地下水硝酸鹽污染較為嚴重。根據2011年的調查分析，641眼井中，73.8%的地下水為IV-V類，主要污染物為氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮(2011.國家環(huán)保部)。同時，我國不少著名湖泊均發(fā)生過不同程度的“富營養(yǎng)化”現象，據統(tǒng)計全球70%的天然湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。目前，我國地下水污染情況有了顯著改善，但仍需高度重視化肥的合理施用，更好控制氮磷養(yǎng)分流失。

土壤微生物，地下水污染背后的“黑手”

莊稼一枝花，全靠肥當家。1908年，德國化學家哈伯首先發(fā)明了化學合成氨技術，把空氣中植物不能利用的N2，轉化為生物可利用的銨態(tài)氮肥，極大促進了糧食生產，哈伯因此獲得了1918年諾貝爾獎。

目前全球化學氮肥使用量每年約1億噸。絕大部分氮肥以銨態(tài)氮肥的形式進入土壤后，由于其帶有陽離子，通常吸附在土壤顆粒，移動性較差，也有利于植物吸收利用。亞硝酸鹽和硝酸鹽肥料的流動性強(陳效民 et al., 2002) ，容易造成污染，生產中使用較少。但是，土壤中的氨氧化菌，能夠把銨態(tài)氮肥氧化為硝酸鹽肥料，產生的亞硝酸鹽和硝酸鹽隨著地表徑流，很容易進入地下水或湖泊，導致硝酸鹽污染和水體富營養(yǎng)化。

事實上，氨氧化菌也是全球氮循環(huán)的關鍵限速步驟。首先，氨氧化菌把銨態(tài)氮轉化為亞硝酸鹽，然后，硝化菌將亞硝酸鹽快速轉化為硝酸鹽。這些亞硝酸鹽和硝酸鹽盡管也能被植物利用，但由于其移動性強，容易產生地下水污染，是微生物帶來的負面效應。

如何發(fā)展精準施肥策略，促進作物氮肥利用率，抑制硝化微生物活性，降低土壤中硝酸鹽污染，是農業(yè)生產和研究中的重要問題。

氨氧化微生物導致水體污染的原理（圖片來源：作者提供）

如何卡住微生物的“黑手”

植物既能利用銨態(tài)氮肥、也可利用硝酸鹽氮肥。因此，開發(fā)硝化抑制劑，配合銨態(tài)氮肥使用，就能夠使得氨氧化菌失去活性，防止銨態(tài)氮肥轉化為硝酸鹽，減少土壤中硝酸鹽含量，防范地下水污染。

科學家已經開發(fā)了很多化學硝化抑制劑，并將其應用于農業(yè)生產(孫志梅 et al., 2008)。目前使用較多的抑制劑包括硝化抑制劑的產品有雙氰胺(DCD)、3.4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)。此外，也有一些較好的脲酶抑制劑，如氫醌(HQ) 和丁基硫代磷酰三胺(NBPT)等，能夠降低尿素水解。延緩銨態(tài)氮肥的釋放，提高植物氮肥利用率。

但是，化學抑制劑可能產生二次污染，歐盟規(guī)定，每天攝入量為1毫克DCD雙氰胺每公斤體重，極可能對人體造成危害。例如，草地牧場施用雙氰胺可能被奶牛吸收并進入牛奶，進而對人類產生潛在危害，據此，新西蘭的雙氰胺化肥已經停止施用。

因此，近年來，生物硝化抑制劑已經成為新的趨勢。例如，如水稻根系分泌的1,9-癸二醇，能夠顯著抑制土壤硝化微生物過程，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質，也能促進硝化抑制劑的更好發(fā)展。例如古菌的細胞是細菌的1/10，因此，需要發(fā)展納米級的抑制劑顆粒，才能有效降低氨氧化古菌的活性。同時，中性和堿性土壤更適合細菌生長，作用更強，需要發(fā)展氨氧化細菌抑制劑(Jia et al., 2020. Pedosphere)。

結語

雖然可以通過抑制劑遏制氨氧化菌，但是人類畢竟是農業(yè)生產的主體，合理施肥和科學施肥才是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本，也是保護水體生態(tài)環(huán)境的關鍵。

隨著智慧農業(yè)的快速發(fā)展，緩/控式肥料，精準施肥，甚至可能通過先進的分子生物學和合成生物學技術，使得非豆科植物自身具有固氮功能，將會獲得更高的經濟效益、生態(tài)效益和社會效益，形成環(huán)境友好、生態(tài)健康的現代化農業(yè)。

參考文獻：

[1] 國家環(huán)境保護部. 2011. 全國地下水污染防治規(guī)劃。http://www.gov.cn/gongbao/content/2012/content_2121713.htm

[2] 陳效民, 鄧建才, 張佳寶, 朱安寧, 潘友育. 2002. 黃淮海平原主要土類中硝態(tài)氮水平運移規(guī)律. 環(huán)境科學:96-99

[3] 畢晶晶, 彭昌盛, and 胥慧真 (2010) 地下水硝酸鹽污染與治理研究進展綜述. 地下水 32: 97-102

[4]孫志梅, 武志杰, 陳利軍, and 馬星竹 (2008) 硝化抑制劑的施用效果、影響因素及其評價. 應用生態(tài)學報: 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