土壤日，我们想说说水污染的事
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
作者单位：中国科学院南京土壤研究所
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