黄土区土壤-植物系统水动力学与调控机制

2013年度国家自然科学奖二等奖。 2100433B

主要完成人：邵明安(中国科学院水利部水土保持研究所)，张建华(香港中文大学)，上官周平(中国科学院水利部水土保持研究所)，黄明斌(中国科学院水利部水土保持研究所)，康绍忠(西北农林科技大学)

针对目前重金属污染土壤氮循环受阻、植物提取修复效率低下、修复时限较长的问题，基于施加氮肥会促进植物生长、提高植物对重金属积累的理论基础，本项目拟研究蚯蚓对重金属污染土壤氮素供给的影响及其微生物学机制，并探讨蚯蚓在与植物联合修复重金属污染土壤中的潜力。首先，通过微宇宙镉污染模拟实验，研究不同梯度镉短期污染条件下蚯蚓对土壤氮循环重要过程——硝化过程的影响及其微生物学机制；然后，利用稳定同位素探针技术(DNA-SIP)联合高通量Illumina测序技术对重金属污染土壤接种蚯蚓前后的氨氧化微生物进行原位鉴定，进一步探讨蚯蚓在硝化微生物抵抗重金属短期胁迫中的作用及机理；最后，通过盆栽实验探讨蚯蚓联合龙葵修复镉污染土壤的效果。本研究将为解决重金属污染土壤氮循环功能退化及其植物修复过程中氮素供给问题提供坚实的理论依据。

植物提取因投入成本低、能将重金属从土壤移除等优势被认为是土壤重金属污染修复技术中最具发展前景的修复方式之一。然而该技术由于超富集植物生长缓慢、生物量小、修复效率低等问题在实际应用中受到限制。针对这个问题，本项目从土壤生态系统工程师-蚯蚓入手，研究了蚯蚓对重金属Cd污染土壤中重要氮循环过程-硝化过程的影响。项目主要基于两个培养实验、一个盆栽实验探讨了蚯蚓对不同Cd污染土壤中硝化过程的影响规律及其微生物学机理，并利用稳定同位素探针技术（DNA-SIP）原位鉴定了重金属污染土壤中接种蚯蚓前后的自养型氨氧化微生物。本项目主要研究结果如下：在Cd污染和对照土壤中，蚯蚓均能提高酸性土壤的pH，而降低中性土壤的pH，减缓培养过程中水溶性有机碳的消耗，提高土壤可溶性氮含量；接种蚯蚓后，酸性壤土和中性砂质黏壤土中铵态氮含量均显著升高，酸性壤土中硝态氮含量无显著变化，而中性砂质黏壤土中硝态氮大量积累；尽管蚯蚓对酸性壤土净硝化过程无显著影响，但提高了土壤的潜在硝化潜势，即蚯蚓能够促进Cd污染土壤的硝化过程；尽管酸性土壤中氨氧化古菌（AOA）丰度比氨氧化细菌（AOB）更高，但蚯蚓主要通过影响AOB恢复或刺激土壤氮循环功能，相关分析结果表明蚯蚓可能主要是通过提高土壤pH、铵态氮含量和AOB的丰度影响酸性土壤的硝化过程；定量PCR结果显示蚯蚓提高了Cd污染中性土壤的AOB丰度，但降低了AOA的丰度，即蚯蚓同样是通过影响AOB调控中性土壤的氮素循环；DNA-SIP实验结果进一步确证了蚯蚓通过提高中性土壤AOB而非AOA的丰度促进土壤的硝化过程；DNA-SIP联合高通量测序的结果表明，蚯蚓主要通过刺激Nitrospira和Nitrosospira两种硝化微生物恢复Cd污染土壤的硝化过程。本项目结果能够为蚯蚓在重金属污染土壤的微生物-动物-植物联合生物修复技术中的应用提供重要的理论依据和数据支撑。

本项目拟以海水养殖废水中的氮、磷为目标污染物，采用温室培养、同位素示踪、土柱模拟以及微区试验等方法，研究耐盐植物对海水养殖废水中污染物的净化作用机制及其调控机理。明确污染物在土壤-植物体系间的迁移、转化及其循环过程；计算污染物在耐盐植物净化体系中的迁移通量；筛选并优化污染物高效净化的各项关键参数，明确耐盐植物净化体系的调控机制，最终建立安全、稳定、高效的海水养殖废水净化体系。该体系的建立，可缓解海水养殖废水向海洋直接排放所造成的海洋环境污染，促进近海水土资源的合理配置和优化升级，对海岸带的生态修复与重建，海水农业渔业经济的可持续发展具有积极推动作用。 2100433B