■本報記者 周熙檀
近年來，我國糧食產量每年增加近10%，但與之相對，每年化肥用量增速卻高達51%。養分利用率低下致使我國每年僅氮肥損失就達140億美元。
而最近，中國科學院南京土壤研究所賈仲君課題組發現了氨氧化古菌化能無機自養代謝的秘密，揭示土壤微生物是氮肥流失的「罪魁禍首」，並暗示研究研製相關硝化抑制劑，與土壤微生物作戰可能提高氮肥利用率。
氮肥損失的「罪魁禍首」
我國化肥生產和消費量居全球首位。2011年我國氮肥產量高達4000多萬噸，佔全球氮肥用量30%強。然而，氮肥利用率只有30%～35%，損失嚴重。
中科院院士朱兆良告訴《中國科學報》記者，氮肥施入土壤後的去向，在不同條件下變化很大。總的來看，氮肥在土壤中的殘留率約為13%，損失率約高達52%，高產地區氮肥殘留率和損失率則可能較高。
據了解，當前，我國農田使用的氮肥主要是尿素和銨態氮肥，前者經水解可產生銨。土壤銨態氮經歷至少一次的硝化過程後，變成硝態氮，此後，硝態氮經反硝化，產生氮氣，完成全球氮的生物地球化學循環。
而其中的硝化過程，是在氨氧化微生物的驅動下完成的。
所以，「土壤微生物是化學氮肥損失的『罪魁禍首』。」賈仲君說。
土壤生物學是「最後前沿」
2004年，《科學》專刊特意強調了土壤生物的多樣性、複雜性和重要性，指出土壤生物學是「最後的前沿」。
原來，僅在指甲蓋大小的1克土壤中，微生物數量就通常在1億～100億之間，而我們對其中99%微生物的功能一無所知。所以，這些微生物又被稱為土壤「黑箱」。
然而，微生物個頭極其微小，如何在「黑箱」中找到與氮肥損失相關的微生物，如氨氧化古菌，是科學前沿，亦是研究難點。
2012年，賈仲君課題組證實，複雜的自然土壤環境中存在以尿素水解為基礎的古菌氨氧化過程。
最近，該課題組又利用13C-示蹤技術，結合新一代高通量測序技術，在複雜土壤環境中找到了銨態氮轉化的關鍵微生物，發現了其化能無機自養代謝的秘密，相關研究結果在線發表於《環境微生物》雜誌。
提高氮肥利用率的新啟示
賈仲君告訴記者：「利用新技術，我們能掌握活性氨氧化古菌的脲酶基因，並進一步針對其特點設計抑制劑。將這種抑制劑加入肥料，即可能抑制脲酶作用，有效控制尿素水解，防止氮肥轉化為易損失的硝態氮，提高氮肥利用率。」
土壤所研究員施衛明則認為，以前在生產上使用硝化抑制劑時，有時候有效果，有時候卻沒有效果，新的研究表明，古菌也參與了硝化過程，這為提高氮肥利用率及汙染控制提供了新的啟示。
但是，由於微生物數量眾多，而相關研究所知甚少，再加之我國土壤體系複雜，施衛明表示：「新的硝化抑制劑有多大控制前景和效果尚不好評價。」
朱兆良也表達了類似的看法，「硝化抑制劑受到國內外普遍關注，但其有效性易受土壤條件的影響」。
朱兆良指出，理論上，硝化抑制劑在抑制銨態氮硝化的同時，會促進氨的揮發。「氨揮發和銨態氮硝化都以氨為基礎，且兩個途徑相互聯繫，抑制了某一個，則可能促進另外一個。」因此，在有利於氨揮發的情況下，很難判斷使用硝化抑制劑對提高氮肥利用率的效果。
《中國科學報》 (2013-03-14 第5版 綜合)