本周客座作者 查理·海恩斯 是 AoB 博客的巡回记者 EPSO/FESPB植物生物学欧洲会议.
汉斯·兰伯斯 是西澳大利亚大学的温思罗普教授。 他于 1979 年在荷兰格罗宁根大学获得博士学位，此后在墨尔本大学、澳大利亚国立大学和乌得勒支大学工作。 他的研究重点是澳大利亚本土植物以及农作物和牧场豆类的矿物质营养。 他非常友好地同意与我谈谈土壤磷酸盐贫化的一些挑战。
为什么磷酸盐贫化如此严重？
在欧洲，磷酸盐污染问题并不那么突出，因为欧洲从世界各地进口食品和动物饲料，而这些地区恰恰是磷酸盐污染的重灾区。在那里，过量的磷酸盐被倾倒在土地上，最终流入水道。欧洲现在停止施肥，未来20年仍然可以有作物生长。但是，当你去到世界其他地区，比如澳大利亚、南美洲、非洲和东南亚，磷酸盐短缺就成了一个严峻的问题。这可能是因为土壤中的磷含量太低，不足以有效生产作物，也可能是因为磷含量虽然存在，但却难以被作物吸收利用。因此，磷酸盐短缺不仅影响作物生产，也影响粮食安全。然而，我们可以做的是种植能够更有效地利用土壤中磷的植物。这其中蕴藏着巨大的机遇。
这如何限制这些国家的种植面积和产量？
在非洲，磷是关键的限制因素，即使是撒哈拉非洲一些最干旱的地区也是如此。 在 barchenener 工作的人发现，只需添加磷，即可获得更高的产量。 干燥的土壤显着降低了土壤中磷的流动性，当你有干燥的土壤时，它会成为一个重要的限制（Lambers H、Raven JA、Shaver GR、Smith SE。 (2008) 植物养分获取策略随土壤年龄而变化。 生态学与进化趋势 23：95-103).
那么，为什么这些社区不购买肥料来提高产量呢？
对于这些群体来说，肥料非常昂贵。 它必须长途跋涉才能收获，而这些团体根本没有钱买它。 因此，我们正在努力开发能够更有效地利用现有磷或更好地将其从土壤中去除的作物。 然而，这是一个有点冒险的事情——如果你的土壤一开始就非常缺乏营养，那么更有效地提取它的植物会使土壤更加缺磷。 无论你从土壤中取出什么，都必须更换才能可持续。
是什么让磷酸盐易于获取？
土壤中的磷酸盐在中性 pH 值下很容易获得。 具有更高碱性 pH 值的石灰质土壤将磷酸盐锁定在钙复合物中。 磷酸盐在那里，但不容易被作物吸收。 酸性更强的土壤也会锁住磷酸盐——但这次不是在钙络合物中，而是铁和铝的氧化物和氢氧化物的络合物。 智利的土壤酸性很强，pH 值接近 4，并且含有大量这些金属氧化物和氢氧化物，因此所有的磷酸盐都不容易获得。 然而，这些植物具有特殊的适应性，使它们能够在这些条件下使用它。
这些适应是什么？
这些植物具有与植物生物化学相结合的特殊结构。 他们生产的是大量的羧酸盐。 这些是带负电荷的分子——如磷酸盐。 它们相互交换，将磷酸根离子释放到土壤溶液中，同时羧酸根阴离子取代了土壤中的磷酸根。 您正在有效地从土壤中的紧密结合中挖掘出土壤中的磷酸盐。 然后它就在解决方案中，任何人都可以接受它（Lambers H、Bishop JG、Hopper SD、Laliberté E、Zúñiga-Feest A. (2012) 磷动员生态系统工程：簇根和羧酸渗出在年轻磷限制生态系统中的作用。 Annals of Botany 110：329-348).
可以通过育种或基因改造将其用于另一种作物吗？
我会退后一步问‘我们现在有哪些作物可以做到这一点’？ 白羽扇豆就是一个很好的例子，还有一些其他的羽扇豆品种也做同样的事情。 还有一些羽扇豆物种没有这些美妙的结构，而是接近它的东西，有些根本没有结构但仍然释放羧酸盐。 所以我们实际上已经有很多物种已经可以玩这个把戏了。 与其在 Soybean 中进行设计，更重要的是全面了解该技术。 理解是并在带有该基因的作物中种植它是一个明显的第一步。 我们已经拥有具有这种能力的羽扇豆作物——现阶段比小麦和大麦好得多。 我不认为这是不可能的，但重要的是一步一个脚印（兰伯斯 H、克莱门茨 JC、尼尔森 MN。 (2013) 基于羧酸盐渗出的磷获取策略如何推动羽扇豆（Lupinus，豆科）的成功和农艺学潜力。 美国植物学杂志 100：263-288).
那么，世界上的某些地区是否因其土壤类型和气候而关注错误的作物？
当然！智利过去常种植安第斯羽扇豆。西班牙人入侵后，禁止当地居民种植这种羽扇豆，因为这不是西班牙的作物。当地居民明明已经种植了适合自己环境的作物，却还要改种外来作物，这真是个愚蠢的想法！藜麦就是另一个例子，西班牙人也曾禁止种植藜麦。事实上，当地居民种植的作物可能比西班牙引进的外来作物更好。不过，我们可以采取间作的方式。间作是指将不同的作物交替种植。例如，小麦在某些南美洲地区生长不良。如果与羽扇豆间作，就能有效吸收磷，邻近的作物也能从中受益。此外，还可以进行轮作。德国的一个研究小组就尝试过这种方法，他们采用大豆和玉米轮作。玉米吸收磷的能力较弱，而大豆——取决于品种——则不然。优良的大豆品种对下一季作物大有裨益——富含磷。您可以同时种植它们，也可以轮作以获取这些磷肥。这两种方法都大有裨益。
是什么阻止了生活在贫磷环境中的人们这样做呢？
这是一个很有意思的问题。如果你去中国，就会发现间作已经有几百年的历史了，而且可以证明，通过合适的间作组合，产量可以提高40-50%——这相当惊人！如果英国或爱尔兰的农民能获得如此高的产量增长，他们肯定会欣喜若狂！所以中国人已经做到了这一点，欧洲也在探索。我相信世界其他地方也能做到，但目前还没有大规模推广，原因在于缺乏相关知识。从非洲到澳大利亚，对当地农民进行这方面的教育至关重要！我正在与德国的安德烈亚斯·布尔古茨（Andreas Burgutts）团队合作，他们正在筛选高粱品种，以提高磷的吸收利用率，并以叶片锰含量作为指标。锰和磷酸盐一样会被植物吸收，因此可以作为指标。这类研究需要前往非洲，根据当地的实际情况选择合适的品种，而不是在实验室里进行试验。这关乎于开展研究，并将研究成果应用于实际，让农民受益，而不是仅仅停留在科学家的象牙塔里。我们需要开展更多工作，超越期刊的范畴，深入到能够真正发挥作用的地方。
还有谁致力于将这些知识应用到该领域？
我有来自某人的访问 ICRISAT. 他们的总部设在印度，主要研究主要作物的吃水和盐度。 他们现在热衷于研究磷，他们听说过我的工作并且有兴趣一起开发一些东西。 这些大型国际机构与世界各地的基层农业社区有联系，在那里你可以真正发挥作用。 我也许可以从事高端科学，但如果没有联系，我就无法对现实世界产生太大影响。
还有谁参与？
国际大机构做得很好， 红外研究所 在菲律宾， ICARDA 在阿勒颇和 ICRISAT 在海得拉巴。 这些大型国际机构不仅对科学感兴趣，而且还对其进行应用，我认为这非常重要。
这些工厂在任何其他关键领域是否有潜力？
是的，例如，如果您的土壤被重金属污染，您可以在光修复过程中使用它们。 这里的植物因其去除重金属的能力而被用作“干净”的土壤。 比利时有些地区受到锌或铜的严重污染。 这种土壤的化学或物理清洁几乎是不可能的。 你需要一个能够将这些金属积累到非常高浓度的物种，但它也是一个快速生长的物种，产生大量的生物量，否则这个过程需要时间。 这有很大的潜力。 除此之外，这些植物还可用于植物采矿或勘探，积累少量金属，作为地球上大量金属矿藏的指标。 这可以作为黄金和其他一些金属的一个很好的指标，以允许团体开始采矿。
汉斯的书《澳大利亚西南部沙原上的植物生命，全球生物多样性热点》将于 XNUMX 月出版，现在 可在西澳大学出版网站在线获取.
