盐碱地土壤微生物生态特性研究进展

汪顺义，冯浩杰，王克英，高子登，胡树文^*

摘要：盐碱土遍布于全球100多国家，面积高达1×10⁹ hm²，作为重要的后备土地资源，将其合理的开发利用是目前的热点问题。盐碱土壤中蕴藏着丰富的微生物资源，微生物对土壤物质组分、理化性质和微环境表现出高度的响应特性，通过对土壤微生物进行系统、深入研究有助于揭示盐碱土的生物过程机制。本文回顾了国内外关于盐碱土特定环境中的微生物进展，从土壤微生物多样性分布格局、土壤改良过程中微生物群落变化、功能性微生物土壤修复机制及资源利用等角度进行综述，以期为盐碱土微生物生态功能研究提供借鉴。

关　键　词：微生物；盐碱地；土壤酶；种质资源

中图分类号：S156    文献标识码：A    文章编号：0564-3945(2018)00-0000-00,  土壤通报,  2019, 50(1): 0233-0239

       盐碱土是盐土和碱土的统称，该类型的土壤形成过程中可溶性盐在土壤中进行重新分配、积聚，导致土壤盐含量高于正常的土壤（2 g kg^-1）或者碱化度（代换性钠离子占可溶性阳离子的比例）大于20%，进而严重制约作物的正常生长^[1]。据统计，盐碱土分布于全球100多国家，总面积高达1×10⁹ hm^2[2]。作为重要的后备土地资源，将其合理的开发利用是目前的热点问题。

 微生物作为土壤中最活跃的部分，具有促进碳、氮、磷、硫等养分循环、修复环境污染、维持陆地生态系统稳定等作用。同时，微生物对土壤物质组分、理化性质和微环境表现出高度的响应特性，通过对土壤微生物进行系统、深入研究有助于揭示盐碱土的生物过程机制。随着近些年微生物研究法的不断突破和改进，盐碱土微生物生态特征领域研究取得了长足的发展。本文回顾了国内外关于盐碱土这一特定环境中的微生物研究进展，从土壤微生物多样性分布格局、土壤改良过程中微生物群落变化、功能性微生物土壤修复机制及资源利用等角度进行综述，并提出未来盐碱土微生物研究方向。以期盐碱土微生物生态功能研究能在基础和应用领域得以快速发展。

1 盐碱土中微生物生态分布特性

由于盐碱土可溶性盐离子浓度高、水热条件差、可供微生物利用的C、N含量低等因素，土壤微生物总量低于同生态区域土壤，并且单一盐土中的微生物数量低于复合型盐碱中微生物的数量土^[3]。利用磷脂脂肪酸谱图技术分析土壤中微生物总量发现，微生物总量与盐碱地土壤含盐量和碱化度呈显著的负相关，且盐碱程度越强，标记物多样性越单一^[4]。这充分的反应了以盐害为主导的土壤环境对微生物的抑制作用，但也有观点认为这是盐碱土上植被生物量降低而产生的间接的负面效应^[5]。

从盐碱土中微生物结构组成来看，滩涂盐碱土壤中细菌占绝对优势，丰度显著高于真菌和放线菌，细菌总量与农田土壤无差异外, 真菌、放线菌、解磷菌均降低，其中钾细菌数量降低了近260倍^[6]。但王银山等^[7]以新疆湿地盐碱土为研究对象发现0 ~ 50 cm土层中微生物总数最多的是放线菌, 其次是细菌, 最少的是真菌，该地区放线菌分大部分属Actinobacteridae、Acidimicrobidae和Rubrobacteridae^[8]。以上不同的研究结果充分反映了不同类型盐碱土中微生物分布格局的差异性。牛世全等^[9]对河西走廊盐碱土分析发现，土壤微生物总量表现为细菌>放线菌>霉菌, 细菌在微生物数量中占有绝对优势, 可以决定微生物总量的分布。对细菌群落进一步研究发现，普通农田中Firmicutes为优势菌群；原生盐碱土中Firmicutes和γ-proteobacteria为优势菌群；次生盐碱土细菌群落差异较大，γ-proteobacteria为共同优势菌群^[10]。李海云等^[11]对该地区放线菌群落进行探究发现，原生盐碱土分属于Micrococcus、Propionibacterium、Corynebacterium、Frankia和Pseudomonas，其中Micrococcus为其优势种群，次生盐碱土放线菌分属于Micrococcus, Propionibacterium。而滨海盐碱土中，细菌数量占较大优势^[12]，孙佳杰等^[13]进一步研究发现，细菌以Lactobacillus、Bacillus为主，放线菌以Streptomyces为主，真菌以Penicillium为主。我国松嫩平原苏打型盐碱土中，微生物以细菌和放线菌为主，不同盐渍化程度土壤中真菌数量均很低^[14]，Shi等^[15]对细菌群落进行鉴定认为细菌属于Firmicutes、Actinobacteria、Proteobacteria和Bacteroidetes，Ishida等^[16]对该地区外生菌根真菌研究表明，对高pH有较强的适应性的Geophora为优势菌种。Valenzuela-Encinas等^[17]采用分子生物学技术对墨西哥盐湖周围不同盐渍化程度土壤进行研究，结果表明Rhizobia, Flavobacterium分布丰富，其中，中等盐渍化程度土壤中细菌群落多样性最大^[18]；此区域盐碱土的古菌多样性相对低，优势群落属于嗜中温泉古菌门^[19]。导致不同类型盐碱土中微生物群落分布格局差异的主要原因可能是土壤中主体阴离子种类的差异。不同菌种对氯离子、硫酸根、碳酸根和碳酸氢根的响应不同进而群落结构种间调整，这一点在古菌上得以证实^[20]。

土壤微生物分布同时存在时空差异。一般认为随着盐碱土层深度增加，加之植被根系垂直分布减少和土壤结构性变差等因素，微生物活动受限进而总量呈降低趋势。杨秀娟等研究不同类型盐碱土有机碳及微生物垂直分布特性发现，在垂直剖面尺度下，各盐碱土土壤有机碳和微生物量碳都随着土层深度的增加而表现出显著的分层性降低趋势。不同类型盐碱土的微生物量碳差异性较强，并且与土壤有机碳含量大小并没出现高度的一致性，可能是微生物需要的生境和食性特征不一样决定的^[21]。在时间尺度下来看，细菌和放线菌数量在夏季出现峰值，真菌数量在秋季和冬季出现峰值;与碳循环相关的纤维素分解菌功能群的峰值出现在冬季，与氮循环相关的微生物功能群一般在夏季或秋季出现峰值^[22]。以松嫩平原盐碱土壤为研究对象发现，水田、旱田非生长季土壤细菌PLFA、真菌 PLFA、放线菌PLFA及微生物总PLFA含量变化规律一致，即在冻结初期降低，在完全融化期升高。通过农业耕作能显著的影响微生物总量，生长季水田土壤细菌、真菌、放线菌及微生物总PLFA 含量变化一致，即在幼苗期、分蘖期、灌浆期持续升高，在完熟期降低。旱田各土层土壤细菌、真菌、放线菌及微生物总PLFA含量在幼苗期、分蘖期升高，在灌浆期、完熟期降低^[23]。

2 盐碱土土壤酶生态特性

土壤酶是土壤微生物进行各项生化过程中的产物，可以间接的的反映土壤中生物活性。在养分本底值较低的盐碱土壤中，掌握与养分循环密切相关的土壤酶的生态特征尤为重要。Tripathi^[24]、García^[25]和Rietz^[26]等人的大量研究均表明，盐碱土中脲酶、蛋白酶、磷酸酶、脱氢酶和β-葡萄糖苷酶等酶活性均显著的低于正常土壤。盐碱土中酶活性受限的原因可总结为以下几点:首先，大部分的土壤酶是微生物代谢过程中所产生的胞外酶，在盐碱土中微生物总量的减少势必会降低土壤酶的释放量；其次，释放出的土壤酶需要和土壤有机胶体结合，但由于地表植被稀少、土壤有机碳匮乏等原因，这限制了胞外酶活性物质的有效吸附；另外，胞外酶行使生态功能需要在稳定的土壤团聚体内进行，盐碱土壤胶粒上过量的Na⁺离子使土壤颗粒高度分散，失去保护的土壤酶易变性失活；再者，还存在土壤溶液中较高的盐离子浓度导致土壤酶活性在盐析作用下脱水失活等原因^[27]。

土壤酶在空间上分布特性和微生物分布特性高度匹配，随土壤深度的增加整体活性呈减少趋势。在时间尺度上，苏打盐碱土中过氧化氢酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶的活性在最大值出现在8 ~ 9月^[28]。滨海盐碱土中磷酸酶和脲酶活性峰值出现在10月；多酚氧化酶呈波浪式变化，峰值出现在6月左右^[29]。不同类型盐碱土中，酶活性的变化特征也存在差异。比如，在滨海盐碱土上盐度主要降低天冬酰胺酶活性，但对谷酰胺酶和脱氨酶活性的抑制作用不大^[30]；在干旱荒漠型盐碱土中，土壤电导率的增加主要抑制了β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性，而对芳基硫酸酯酶受到的影响不显著^[31]，松嫩平原苏打型盐碱土中过氧化氢酶和淀粉酶活性显著降低^[32]。造成此类变化特性的主要原因可能是不同阴离子对土壤酶毒害程度不同所致。另外，不同类别土壤酶行使不同的生化功能，故不同土质的盐碱土中特定优势酶也不同。以土壤磷酸酶为例，当土壤中磷含量相对较低时，微生物为满足生长需求开始分泌磷酸酶以进行有机质的分解，矿化释放出有效磷^[33]。因此，土壤磷酸酶的活性的强弱取决于有效磷的含量高低^[34]。在高pH条件下土壤中的磷素被土壤固持，苏打型盐碱土壤中有效磷含量较其余类型盐碱土较低，因此磷酸酶活性也显著区别于其余类型盐碱土。

3 盐碱土改良过程中微生物变化特性

盐碱土壤的改良实质是利用人为措施，降低土壤盐浓度或碱化度、改善土壤结构性、提高土壤养分含量，进而实现减缓盐渍化进程、提高地表植被覆盖率或作物产量、恢复生态稳定性的过程。不同类型盐碱土在不同改良措施作用下，微生物变化特征也不尽相同。康贻军等^[35]利用客土法研究滨海滩涂盐碱土微生物变化特性发现，土壤脲酶和过氧化氢酶活性提高，细菌和真菌总量也提高了3 ~ 7倍。对苏打碱土进行围堤养鱼，土壤中细菌、纤维素分解菌、亚硝酸细菌、磷细菌的数量增加了0.55×10⁵ ~ 2.60×10⁶cfug^-1；脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、纤维素酶的活性也显著提高^[36]。在内陆混合型盐碱土中构造人工玉米夹层，可有效增加土壤通透性和土壤腐殖酸类物质，进而显著增加了土壤细菌、真菌、放线菌、纤维素分解菌总量^[37]。将水稻秸秆腐熟后进行还田处理，也取得了类似结果^[38]。膜下滴灌是干旱区盐碱土改良常用技术措施^[39]，滴灌通过降低作物根系区域盐浓度进而增加根际微生物总量^[40]。添加改良物料是目前最为常见的改良措施。脱硫石膏、硫酸铝以及阳离子型高分子材料可高效置换盐碱土胶粒中的Na⁺离子，降低了耕作层的盐浓度和碱化度，进而明显增加了土壤微生物多样性^[41]。施加生物腐殖酸的滨海盐碱土显著提高了生物肥力指数和酶活力指数^[42]。Jayshankar等^[43]利用将有机肥与黄铁矿混合后进行盐碱土水稻种植，研究发现改良物料可有效降低土壤盐浓度提高了作物生物量，作物吸收更多的铵态氮从而降低了土壤中铵态氮含量，进而减少了甲烷单加氧酶的限制作用，导致土壤甲烷氧化菌增多。向盐碱土中添加菅草粉^[44]、生物炭^[45]、农家肥^[46]、造纸废水和工厂污泥^[47]等物料也缩短了盐碱土与正常土壤的微生物数量差距。这几种改良物料的作用原理可能是：一方面通过增加氮和碳的输入，为微生生长繁育提供所需养分，另一方面促进土壤有机-无机复合体的胶结性能提高土壤结构性，改善微生物活动微域环境。而向盐碱土中添加微生物菌肥或菌剂，则是利用了物料本身所含的功能菌种，以丰富供试土壤中优势菌群的多样性^[48]。

值得强调的是，利用生物方法进行改良盐碱土壤，调控微生物群落结构的过程机制相对较为复杂，应归结于植物-土壤-微生物相互作用。生物方法多借助耐盐性植物的种植，以满足盐碱土植被恢复，减缓盐渍化进程。耐盐植物将30%的光合产物运往根系系统，并将40%以上的物质以根系分泌物的形式释放到根际，为根际微生物提供碳源，与此同时根际微生物矿化土壤中的无机养分供植物利用^[49]。因此，这种互作关系让盐碱土壤中根际微生物成为受植物影响最大的群体。Hinsinger等^[50]利用分子生物学手段进行多态分析后发现，细菌的群落在根际土与非根际土中存在较大差异，并且根际微生物整体群落在不同作物间千差万别。这一特征在玉米、高粱、豆科等作物得以证实，且存在特定的优势菌种。在干旱区荒漠型盐碱土进行耐盐牧草，提升了土壤细菌和放线菌数量，且微生物数量有上层土壤移动态势^[51]。在内陆混合型盐碱土中种植油葵等作物，土壤微生物数量最大可提升近7倍^[52]。在盐碱土壤中接种蚯蚓等生物也能提高螨虫丰富度^[53]。蚯蚓和丛枝菌根真菌互作对盐碱土壤也有一定的修复作用，主要原因是：蚯蚓和丛枝菌根真菌隶属于不同的捕食层面，蚯蚓可矿化土壤氮素，丛植菌根真菌有助于作物根系对有效磷的捕获，二者协同互作促进作物生长^[54]。

表1.不同改良措施对盐碱土微生物的影响

Table1 Effectsof different improvement measures on microorganism in saline soil

4 盐碱土功能性微生物种质资源培育及资源利用

众多的研究均已证实盐碱土存在着丰富的丛植菌根资源。Landwehr 等^[55]对匈牙利草甸碱土研究发现，在高盐浓度和碱化度的土壤中丛枝菌根真菌依然对植物保持高侵染率，形成稳定的丛枝菌根真菌-作物共生体。在新疆干旱区盐碱土中难以形成菌根的莎草科植物也有丛枝菌根真菌侵染现象^[56]。这种特殊的共生体系促进了盐碱环境中胶菊、羊茅、黄瓜、辣椒等系列作物增产^[57]。总结丛枝菌根真菌提高盐碱土作物抗性的机制可分为两方面：(1)盐碱土一大障碍因子是高钠离子浓度导致土壤胶粒分散、土壤团聚能力弱、土壤黏重，丛枝菌根真菌菌丝可穿透土壤颗粒，将小粒径团聚体绑定聚合形成大团聚体，稳定的土壤结构利于盐碱土中作物根系生长；(2)丛枝菌根真菌与作物形成稳定的菌根共生体后，菌根通过促进矿质元素吸收、提高水分吸收效率、增加渗透调节能力、改变植物激素水平、增强抗氧化防御系统和相关基因的表达等途径增强作物整体抗盐碱能力^[58]。近年来对功能性菌根真菌分离鉴定层出不穷，例如Ishida等^[16]研究了松嫩平原苏打盐碱土中对土壤修复极具帮助的菌根真菌属为地孔菌属。Naga等^[59]在日本碱性土壤中分离出Acremonium和 Chrysosporium两种具有嗜碱功能的真菌。

    除丛枝菌根真菌外，盐碱土壤中蕴藏着丰富的功能性微生物。石伟等^[60]在苏打盐碱土中分离出28株喜盐碱细菌，多数菌株属于Firmicutes和Gamma-Proteobacteria。Wang等^[61]对该区域盐碱土中获得 47 株中度嗜盐细菌和 10 株极端嗜盐古菌，其中极端嗜盐古菌属于Haloterrigena。艳红^[62]等在苏打碱土中分离筛选出一株在pH=13、NaCl浓度在200 g L^-1条件下可正常生长的极端嗜盐碱微生物，当碳氮比在4:1时，Cl^-降解率可达到35.4%。崔西苓等^[63]从滨海盐碱土中分离出20株耐盐木霉菌，13株为Trichoderma harzianum，3株为T.longibrachiatum，2株为T.brevicompactum，2株为T. atroviride，结合光谱技术发现耐盐菌株自身高效合成海藻糖的能力是关键耐盐机制。并且将耐盐木霉菌接种到烟草上表现出较好的解盐促生效应。盐碱土中同样可分离出诸多强秸秆降解能力的菌株，将其与玉米秸秆配合施用后大团聚体形成量达60%左右，可显著改善盐碱土的结构性^[64]。在干旱荒漠土壤中分离鉴定出19株耐盐碱菌株，且绝大多数属于Firmicutes，其中由3株可在盐浓度20%的条件下正常生长。该类菌株具有较强的分泌胞外多糖能力，有效的提高了土壤微团聚体的稳定性^[65]。Cui等^[66]利用嗜盐菌生物强化修复盐碱土中多环芳烃的污染，3天内对部分多环芳烃降解率在43.6% ~ 85.7%。在工厂废水中分离出的耐盐性硫氧化细菌具有较强的硫转化功能，这类细菌不仅能催化盐碱土壤中的硫循环，同时也将土壤pH降低可0.3个单位。Barua等^[67]从盐碱土中分离出的固氮菌，应用于水稻种植，有效的促进了氮素的吸收和提高了作物产量。自北方盐碱土中分离出的硅酸盐细菌具有活化土壤中钾元素功能，接种硅酸盐细菌有效提高了土壤的渗透性能，进而促进了盐碱土中羊茅的生长^[68]。将具有养分释放功能的微生物作为商品微生物菌肥产品已普遍应用于农业生产。已经分离鉴定出极具代表性的Actinopolyspora、Streptimonospora、Actinopolyphagen.nov、Streptomycessubhalophilus、Nocardioides、Streptomycessparsus sp.nov等嗜盐放线菌和Nocardiopsis、Saccharothrix、Micromonospora、Streptomyces等嗜碱放线菌能产生多种有益抗生素物质而被广泛应用^[69]。

5 展望

   分子生物学技术的不断创新极大地推动着盐碱土微生物研究工作的快速进步，让人们进一步的了解微生物的生态学特征及作用机理。该领域研究依旧存在些许不足，以下几点可能是未来研究的重点领域：①更加深入的探究盐碱土环境中植物-土壤-微生物体系中互作机制和调控原理；②进一步挖掘盐碱土中功能性微生物的种质资源，尽可能的应用于实际生产以发挥其生态服务功能并揭示其作用机制；③筛选不同类型盐碱土改良工作中的具有指示功能的微生物群落，以生物学参数评价土壤修复效果。

参考文献略