由“秆”而“炭”
我国是农业大国，在粮食不断增产的背景下，农作物秸秆的产量俱增。作物秸秆与叶片是支撑作物生长、制造和运输养分的介质，作物成熟后秸秆中尚保留丰富的营养成分。如何科学利用这些珍贵的农业资源，提高秸秆的资源化利用率，是农业生态学者关注的问题。近年来，人们开发了一种秸秆炭化还田技术，即将农作物秸秆在低温缺氧条件下炭化制备成生物质炭，然后将该生物质炭施入土壤中进行土壤改良。生物质炭富含丰富的营养成分，可以提高土壤肥力，增加作物产量；其丰富的孔隙结构可为土壤微生物提供良好的栖息地，提高微生物丰度和活性，改变土壤微生物群落结构。同时，人们还发现生物质炭可以吸附固定土壤中的有机污染物和重金属等污染物，减少污染物从土壤向农作物体内的迁移，进而保障食品安全和人体健康。
图1 秸秆生物质炭（图片来源：RACHEL CERNANSKY. NATURE, 2015, 517: 258-260）
追“根”问底
植物在生长过程中通过根系吸收土壤中的水分和营养，维持生长。植物在进行光合作用形成地上生物量的同时，源源不断地向土壤中释放根系分泌物。这些释放出的小分子有机物质是土壤微生物的“粮食”，为微生物的生长提供了充足的碳源。因此，在土壤根际微域中存在最为活跃的物质代谢和能量循环。同时，土壤中的大部分污染物也是通过植物根系吸收进入茎叶、果实，进而危害人体健康的。根际是污染物由土壤进入食物链的关键“门户”，根表毫米级微域是污染阻击战的主战场。生物质炭能够通过吸附作用减少污染物由土向根中的迁移，将污染物滞留在“门外”。
图2 植物根系（图片来自联合国粮食及农业组织）
无“微”不“治”
土壤中存在丰富的生物资源和多样性，一汤匙健康土壤所含的生物体数量超过地球人口总和，这其中主要包括细菌、真菌等土壤微生物。超过99%的微生物不能被培养基纯培养富集。在土壤微生物群落中，不同种类微生物各有分工、各司其职，共同营造土壤微生物社会的正常运行。土壤微生物是土壤中物质转化的“引擎”，他们不仅参与土壤中的碳氮循环，而且可以“吃掉”进入土壤中的有机污染物，维持土壤健康。对有机污染物的阻击战中，土壤微生物采用集团军作战模式，共同御敌。环境学者一直关注如何对丰富多样的土壤微生物进行调控进而实现土壤健康。
图3 土壤微生物（图片来自联合国粮食及农业组织）
随着农田土壤中生物质炭的广泛应用，其与植物根系的相互作用不可避免。生物质炭和植物根系的交互作用会对土壤微生物产生何种影响，又是如何影响污染物降解的呢？中科院南京土壤所给出了答案，针对多环芳烃（PAHs）污染农田，利用大宗农业废弃物为原料制备了生物质炭，提出生物质炭阻控-植物根际强化降解协同修复措施，系统阐明了根际环境中生物质炭-污染物-微生物多界面交互作用。
研究团队发现生物质炭和植物根际联合作用下PAHs被高效去除的关键主要是炭和根对土著微生物群落结构和代谢功能的调控，不仅促进了功能微生物对PAHs的直接降解，而且调控了土壤中与PAHs降解密切相关的碳代谢如脂类、糖类和氨基酸等物质的微生物代谢过程，协同促进了PAHs的去除。
图4 生物质炭-根际联合作用机理
针对长三角地区PAHs污染农田，明确了低温制备型生物质炭与水旱轮作种植模式相结合既能高效降低PAHs环境风险、保障食品安全，又有利于污染土壤微生物生态环境的恢复与重建。
图5 生物质炭-水旱轮作结合保障农田安全生产
上述研究首次耦合了污染胁迫土壤中微生物基因组与代谢组生物信息，明确了长期污染农田土壤中土著微生物可用、可调，PAHs可阻、可降的过程与机制，为有机污染农田土壤安全生产提供了保障措施。代表性成果发表在Environment International、Journal of Hazardous Materials、Science of Total Environment 等期刊。
作者：李晓娜、倪妮、宋洋
来源：中国科学院南京土壤研究所
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