董心亮,王金濤,田 柳,婁泊遠(yuǎn),張雪佳,劉 彤,劉小京,孫宏勇

(中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022)

全球鹽漬化土壤面積約9.32×109hm2[1],我國(guó)鹽漬化土壤面積約3.6×107hm2,占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[2]。世界人口數(shù)量的增加和耕地面積的減少是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)[3],食物/耕地面積需求的增加迫使更多的土地用于糧食生產(chǎn)。然而,隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇,鹽堿地面積仍在持續(xù)增加[4]。

土壤鹽漬化導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)的損失量約3.47 t·hm-2[5],我國(guó)鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,SOM)含量不足1%的面積占鹽堿地總面積的26%[6]。據(jù)估計(jì),1/3 的糧食減產(chǎn)與土壤有機(jī)質(zhì)減少和土地退化有關(guān)[7]。土壤有機(jī)質(zhì)是耕地質(zhì)量的核心,不僅參與土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,也為植物和微生物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分[8-9]。因此,在人口增長(zhǎng)和糧食需求的矛盾下,提高鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)含量將有助于提升鹽堿耕地質(zhì)量、保障糧食安全。

鹽堿地作為我國(guó)最主要的中低產(chǎn)田類型之一,分布廣泛,土壤有機(jī)質(zhì)含量低,因此,鹽堿土壤固碳潛力巨大[10-11]。鹽漬化土壤最典型的特征是鹽分含量高、土壤結(jié)構(gòu)差,這些都會(huì)影響土壤微生物活動(dòng)及土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)過(guò)程[12-13]。同時(shí),土壤鹽分、土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、土壤微生物和土壤有機(jī)質(zhì)之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,彼此相互牽制。鹽分含量高是驅(qū)動(dòng)鹽堿地其他特征改變的最初動(dòng)力,降低含鹽量和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是鹽堿耕地質(zhì)量提升的最終目標(biāo),土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和微生物在這些過(guò)程中扮演著重要角色。目前已有許多學(xué)者研究了鹽漬化土壤質(zhì)量提升的措施,如物理、化學(xué)和生物措施,取得了重要進(jìn)展[6]。開展鹽堿地綜合利用對(duì)保障國(guó)家糧食安全、端牢中國(guó)飯碗具有重要戰(zhàn)略意義。然而關(guān)于鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程的研究很少,內(nèi)在機(jī)理也不明確[10-11]。

因此,本文通過(guò)梳理和總結(jié)土壤鹽漬化及其危害、鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)特征及積累規(guī)律的研究進(jìn)展,結(jié)合鹽分通過(guò)影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和微生物進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響規(guī)律的研究結(jié)果,揭示鹽堿土壤碳封存的潛在機(jī)理,并提出未來(lái)我國(guó)鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)積累方向的研究展望,一方面有利于推進(jìn)“碳達(dá)峰碳中和”進(jìn)程,另一方面有助于提高鹽堿耕地質(zhì)量,為鹽堿地綠色可持續(xù)發(fā)展提供思路。

1 土壤鹽漬化及其危害

土壤鹽漬化是指過(guò)量土壤鹽分離子積累的過(guò)程,鹽漬化土壤嚴(yán)重抑制植物功能和生長(zhǎng)[14],如影響植物養(yǎng)分和水分吸收,破壞植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必要的生理功能[15]。土壤鹽漬化是土地退化的主要原因之一,嚴(yán)重威脅土壤健康。世界范圍內(nèi),約有9.32×109hm2土地存在不同程度鹽漬化,預(yù)計(jì)2050年50%的可利用土地將會(huì)發(fā)生干旱或鹽漬化[16]。全球土壤鹽漬化面積增加對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響,嚴(yán)重威脅糧食安全和農(nóng)業(yè)效益,每年糧食減產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失約為120 億～273 億美元[17]。

土壤鹽漬化包括原生性鹽漬化和次生性鹽漬化[18]。原生性鹽漬化或旱地鹽漬化主要由鹽土母質(zhì)或地下咸水隨毛細(xì)管上升引起,旱地鹽漬化發(fā)生在降雨量低但蒸發(fā)量高的干旱和半干旱地區(qū)[19]。次生鹽漬化或灌溉鹽漬化是由于不適當(dāng)?shù)墓喔然蚴┓蚀胧┮鸬娜藶辂}漬化,由于排水措施或淋溶效果差,劣質(zhì)灌溉水引起土壤剖面的鹽分積累[18]。

土壤鹽漬化抑制植物生長(zhǎng)包括滲透脅迫和離子毒害兩個(gè)方面[15]。當(dāng)土壤溶液離子濃度增加,植物根系吸水困難而產(chǎn)生滲透脅迫,因此必須消耗更多的能量使土壤溶液中的水分進(jìn)入植物體[20]。此外,盡管土壤溶液的離子幾乎都是植物生長(zhǎng)所必需的元素,但是當(dāng)一種或多種離子濃度過(guò)高時(shí),植物細(xì)胞或組織將受到毒害,也會(huì)引起一系列的反應(yīng),如抑制葉肉細(xì)胞生長(zhǎng),導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,降低光合速率,破壞蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡等[21]。土壤鹽漬化抑制植物生長(zhǎng),源頭上減少了土壤外源有機(jī)物質(zhì)的投入,不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

此外,土壤鹽漬化也會(huì)影響土壤微生物活動(dòng)[13]。與植物的鹽分脅迫類似,隨著土壤鹽分的增加,微生物細(xì)胞出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,為了保持細(xì)胞膨壓,微生物細(xì)胞開始產(chǎn)生并積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[22]。但是每產(chǎn)生1分子的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)需要消耗23～79 個(gè)ATP[23],這種巨大的能量消耗迫使微生物從生長(zhǎng)策略調(diào)整為生存策略[24]。土壤微生物在鹽分脅迫下,數(shù)量和活性以及群落結(jié)構(gòu)都發(fā)生了改變,進(jìn)而影響了土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)過(guò)程[13]。

2 土壤鹽漬化對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤的“細(xì)胞”,也是微生物重要的棲息地,由土壤顆粒(砂粒、粉粒和黏粒)與有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)膠結(jié)而成,按照?qǐng)F(tuán)聚體粒徑分組,通常以0.25 mm 為界分為大團(tuán)聚體和小團(tuán)聚體[25-26]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性用平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)表示,大團(tuán)聚體比例越高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響微生物群落結(jié)構(gòu)、調(diào)控氧氣發(fā)散、調(diào)節(jié)水分和養(yǎng)分運(yùn)移等,這些過(guò)程也會(huì)進(jìn)一步影響土壤有機(jī)質(zhì)的形成和分解過(guò)程[27]。土壤團(tuán)聚體可以保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì),同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)可以作為膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)團(tuán)聚體形成,二者相輔相成[25]。影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素很多,如土壤本身特征包括電解質(zhì)、黏粒礦物、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)、鐵鋁氧化物含量等,以及外界環(huán)境特征包括氣候、時(shí)間、微生物、植物根系、土壤動(dòng)物、耕作措施、有機(jī)物料投入、作物類型和種植制度等[28]。這些因素通過(guò)影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性,都將進(jìn)一步影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)。

鹽漬化土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)差,因?yàn)楦吆縉a+可以使土壤顆粒崩解、膨脹和分散,最終破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu),這也是著名的擴(kuò)散雙層理論(diffuse double layer theory,DDL theory)[29]。土壤顆粒膨脹和分散引起表層板結(jié)和硬化,也會(huì)影響水分入滲率和導(dǎo)水率。通常土壤鈉吸附比(sodium adsorption ratio,SAR) ＞13或交換性鈉離子比例(exchangeable sodium percentage,ESP) ＞15 導(dǎo)致土壤顆粒膨脹和分散,此外,也有研究表明高含量的鹽分(如電導(dǎo)率＞1.5 dS·m-1)可以促進(jìn)土壤顆粒絮凝[30],這是因?yàn)橥寥利}分(如Ca2+、Mg2+等多價(jià)離子)可以使土壤顆粒表面吸附的陽(yáng)離子更加緊密地結(jié)合起來(lái),保持土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu),提供良好的通氣環(huán)境和水分運(yùn)輸環(huán)境。因此,為了提高鹽漬化土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu),應(yīng)該首先移除Na+,并保持一定的電解質(zhì)濃度[31-32]。然而,土壤含鹽量高將會(huì)降低水分有效性,抑制植物生長(zhǎng),進(jìn)而減少外源有機(jī)物質(zhì)輸入,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化率增加[10]。可見(jiàn)不同的鹽分類型對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及土壤有機(jī)質(zhì)保護(hù)的影響不一致,這是因?yàn)槎鄡r(jià)離子(如Ca2+)可以將帶負(fù)電荷的土壤黏粒和土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合到一起,減少土壤有機(jī)質(zhì)被礦化的風(fēng)險(xiǎn); 而單價(jià)離子(如Na+)占據(jù)大量交換點(diǎn)位時(shí),有機(jī)分子和土壤礦物表面的連接作用減弱,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)變?nèi)?圖1),增加微生物對(duì)其的可利用性[33-34]。

圖1 Ca2+或Na+與土壤顆粒和有機(jī)質(zhì)(SOM)的關(guān)系Fig.1 Relationships between Ca2+ or Na+ and soil particles and organic matter (SOM)

改善鹽漬化土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的方法很多,包括物理、化學(xué)和生物措施等。對(duì)鹽漬化土壤進(jìn)行深耕或深松可以增加土壤孔隙,減少土壤板結(jié),加速鹽分淋洗; 向土壤中加入富含Ca2+的物質(zhì)(如脫硫石膏)可以加速Na+淋洗,減緩植物和微生物的鹽分脅迫,進(jìn)而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量; 增加植物或微生物量,可以增加生物分泌物(如有機(jī)酸),提高Ca2+的溶解度,增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性,從而加速Na+淋洗[35]。此外,向鹽堿土壤中添加外源有機(jī)物質(zhì)(如秸稈、有機(jī)肥等)也可以增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性,改良土壤結(jié)構(gòu),加速土壤鹽分淋洗,改變土壤離子組成,也可以增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù),最終提升鹽堿土壤質(zhì)量[36-37]?？梢?jiàn),降低鹽漬化土壤鹽分、提高團(tuán)聚體穩(wěn)定和增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,三者密不可分,任何一個(gè)的改善能得到鹽漬化土壤其他特征的積極反饋。然而不同類型鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)積累與外源有機(jī)物料添加的種類和數(shù)量的定量關(guān)系,以及有機(jī)質(zhì)積累過(guò)程中土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化尚沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。

綜上所述,外源有機(jī)物質(zhì)輸入和土壤離子組成(如Na+和Ca2+比例)在團(tuán)聚體穩(wěn)定性和對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)中發(fā)揮著重要作用,因此明確外源有機(jī)物質(zhì)輸入和土壤鹽分含量及離子組成與土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤有機(jī)質(zhì)積累的定量關(guān)系對(duì)于闡明鹽堿地改良和地力提升的機(jī)理十分重要。

3 土壤鹽漬化對(duì)微生物特征的影響

土壤微生物不僅是土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)、養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者,也是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分,因此任何鹽分積累對(duì)微生物的影響都會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)過(guò)程[38]。一方面微生物通過(guò)礦化作用減少土壤有機(jī)質(zhì)含量,另一方面微生物周轉(zhuǎn)過(guò)程中的微生物死體占土壤有機(jī)質(zhì)含量的10%～80%[39-40],因此,土壤微生物在土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程中扮演著“碳泵”的角色[41]。關(guān)于土壤鹽分影響土壤微生物量、微生物呼吸、酶活性和群落結(jié)構(gòu)等的研究近年來(lái)備受關(guān)注,然而土壤鹽分含量及離子組成如何影響微生物群落結(jié)構(gòu)和功能仍然存在很多爭(zhēng)議,現(xiàn)有的結(jié)果和結(jié)論比較碎片化,沒(méi)有形成系統(tǒng)的鹽分驅(qū)動(dòng)下微生物在土壤有機(jī)質(zhì)積累過(guò)程中的作用理論[13]。

鹽分對(duì)微生物的傷害與對(duì)植物的傷害類似,通過(guò)離子產(chǎn)生的滲透勢(shì)效應(yīng)和毒害抑制微生物活動(dòng)。在高鹽環(huán)境中,為了維持細(xì)胞膨壓,防止脫水,微生物不得不通過(guò)滲透調(diào)節(jié)策略,在細(xì)胞質(zhì)中積累離子或小分子有機(jī)物(氨基酸和多糖等)降低滲透勢(shì)[22]。K+毒性小于Na+,因此微生物更傾向通過(guò)Na+/H+反向運(yùn)輸或呼吸驅(qū)動(dòng)的Na+泵將Na+排出,保留K+。當(dāng)然Na+的排出和有機(jī)分子在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的積累均需要能量代價(jià),微生物產(chǎn)生1 分子滲透物質(zhì)需要消耗23～79個(gè)ATP 分子[23]。此外,鹽堿土壤的含鹽量和含水量時(shí)刻處于波動(dòng)狀態(tài),微生物也需要不斷地生成或排出滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),以適應(yīng)外界環(huán)境的水勢(shì)。因此,能量消耗適應(yīng)機(jī)制迫使微生物利用有限資源從生長(zhǎng)發(fā)育策略轉(zhuǎn)變?yōu)樯娌呗?導(dǎo)致微生物代謝熵(qCO2)增加,降低微生物碳利用效率(carbon use efficiency,CUE),將更多的有機(jī)物質(zhì)用于呼吸而不是產(chǎn)生代謝產(chǎn)物,從而減少土壤有機(jī)質(zhì)的積累[24]。

土壤微生物數(shù)量是反映微生物活性和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,土壤微生物量碳也是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的成分[42]。鹽堿土壤微生物數(shù)量少不僅僅與鹽分脅迫有關(guān),與外源有機(jī)物質(zhì)輸入量低也有關(guān)系[43-44],許多研究表明外源有機(jī)物質(zhì)輸入可以顯著增加土壤微生物數(shù)量[45-46]。通常情況下,隨著土壤鹽分的積累,微生物數(shù)量減少[47-49]; 但Rath 等[13]分析了45 項(xiàng)關(guān)于土壤鹽分和微生物數(shù)量的研究,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)土壤鹽分和微生物數(shù)量的負(fù)相關(guān)關(guān)系; 此外,甚至有研究表明隨著鹽分增加,土壤微生物數(shù)量有增加趨勢(shì)[50-51]?？梢?jiàn),不同類型或不同含鹽量土壤中微生物數(shù)量差異很大,可能導(dǎo)致微生物死體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)差異很大。氨基糖作為微生物死體的生物標(biāo)記物可以定量微生物死體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn),氨基糖包括氨基葡萄糖(GluN)、氨基半乳糖(GalN)、氨基甘露糖(ManN)和胞壁酸(MurA)[41,52]。然而,關(guān)于鹽堿地土壤中微生物死體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)的研究非常有限。因此,明確鹽堿土壤微生物數(shù)量及其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)有助于揭示鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)機(jī)理。

微生物呼吸是研究土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程中最常用的指標(biāo)之一。土壤鹽分往往抑制微生物呼吸,但是不同鹽分類型對(duì)微生物呼吸的影響不同。Nelson 等[53]發(fā)現(xiàn)微生物呼吸隨土壤含鹽量增加而降低,隨土壤堿化度增加而增加,可能是因?yàn)楦遬H 導(dǎo)致土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)破壞,增加了微生物底物有效性[27]。可見(jiàn),土壤離子組成對(duì)微生物呼吸的影響十分重要。此外,添加外源有機(jī)物質(zhì)可以顯著增加微生物呼吸速率[54]; 然而也有研究表明外源有機(jī)物質(zhì)添加對(duì)微生物呼吸的影響與微生物生長(zhǎng)期有關(guān),如培養(yǎng)前期增加微生物呼吸,培養(yǎng)后期降低微生物呼吸[55]。鹽堿土壤微生物酶活性低,主要原因包括: 1)微生物數(shù)量少; 2)鹽脅迫下微生物的生存機(jī)制,將更多的資源和能量用于維持細(xì)胞滲透勢(shì),因此合成的酶(蛋白質(zhì))數(shù)量減少; 3)高鹽濃度下蛋白質(zhì)活性降低; 4)由于土壤顆粒分散,也增加了酶的礦化風(fēng)險(xiǎn)[56-58]。不同土壤和不同類型的酶對(duì)土壤鹽分的響應(yīng)不一致,Saviozzi 等[59]發(fā)現(xiàn)隨著鹽分積累,蛋白酶和脫氫酶活性降低,淀粉酶和磷酸酶活性不變,而過(guò)氧化氫酶活性增強(qiáng)。

細(xì)菌和真菌在土壤有機(jī)質(zhì)形成和分解中扮演著重要角色,真菌在干旱或高鹽分環(huán)境中的適應(yīng)性更強(qiáng),因?yàn)檎婢募?xì)胞壁含有幾丁質(zhì),為應(yīng)對(duì)滲透脅迫提供了支撐,真菌的絲狀結(jié)構(gòu)也可以使水分在土壤基質(zhì)中遷移和再分配[60-61]。然而,目前尚不清楚土壤中細(xì)菌和真菌對(duì)土壤鹽分積累的敏感性有差異[47,62]。真菌/細(xì)菌比例隨鹽度的變化可能會(huì)影響土壤中的碳循環(huán),因?yàn)檎婢軌蚍纸飧鼜?fù)雜的有機(jī)物質(zhì)(纖維素、木質(zhì)素等),而細(xì)菌更傾向利用活躍性有機(jī)碳[63]; 此外,真菌死體在土壤中的周轉(zhuǎn)時(shí)間比細(xì)菌死體的周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)[64]。外源有機(jī)物質(zhì)輸入可以增加真菌所占比例[47,65]。因此,外源有機(jī)物質(zhì)添加可以定向調(diào)控土壤微生物的真菌與細(xì)菌比例,增加腐生真菌積累土壤有機(jī)質(zhì)的速度,提升鹽堿土壤質(zhì)量。

綜上,土壤鹽分限制了微生物活動(dòng),降低了呼吸速率,導(dǎo)致鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)的礦化減少; 同時(shí),微生物在鹽堿脅迫條件下分泌的有機(jī)物質(zhì)和微生物死體數(shù)量也可能受到影響,減少了鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)的積累。可見(jiàn)微生物在鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程中扮演著“雙刃劍”的角色,向鹽堿土壤中添加外源有機(jī)物質(zhì)可能增加微生物呼吸釋放CO2的量,也可能增加微生物代謝產(chǎn)物的微生物死體,最終增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。但是外源有機(jī)物質(zhì)添加量與鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)的積累量和積累速度是否存在相關(guān)性?在不同含鹽量條件下土壤有機(jī)質(zhì)積累量和積累速度是否存在差異?這些問(wèn)題及背后的機(jī)理尚不清楚,回答這些問(wèn)題有助于深入理解鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)的積累過(guò)程,針對(duì)性地提出鹽堿土壤質(zhì)量提升的措施,為鹽堿地綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

4 鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)特征及土壤團(tuán)聚體和微生物的作用

土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù),其儲(chǔ)量是大氣或植物碳儲(chǔ)量的2 倍之多,土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化可以引起大氣CO2濃度的巨大波動(dòng)[66]。土壤有機(jī)碳的載體-土壤有機(jī)質(zhì)是耕地質(zhì)量的核心,在保障糧食安全中發(fā)揮著重要作用,如提供作物所需的N、P 和S 等養(yǎng)分,改良土壤物理結(jié)構(gòu),提高土壤持水能力,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量等[8-9]。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是外源有機(jī)物質(zhì)輸入與土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程平衡的結(jié)果[9]。鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)含量一般較低[10,67],這是因?yàn)? 1)鹽漬化土壤外源有機(jī)物質(zhì)輸入量低,土壤鹽分積累嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng),一方面由于滲透脅迫,造成植物生理性缺水,從而影響植物生理進(jìn)程,如過(guò)量Na+和Mg2+可能破壞細(xì)胞形態(tài),抑制光合作用,減少葉綠素含量[19]; 另一方面由于離子毒害,植物N 代謝過(guò)程受到抑制[68]。2)土壤膠體顆粒帶負(fù)電荷,土壤含鹽量(尤其是Na+含量)增加,置換土壤顆粒間的Ca2+或Mg2+,Na+具有分散作用,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)破壞,增加土壤水蝕和風(fēng)蝕的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也增加了團(tuán)聚體內(nèi)受保護(hù)的有機(jī)質(zhì)礦化的風(fēng)險(xiǎn)[69-70]。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)可以對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行物理保護(hù),同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成[25]。土壤鹽分通過(guò)影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程[19]。可見(jiàn),土壤鹽漬化通過(guò)減少輸入和增加礦化兩方面抑制了土壤有機(jī)質(zhì)的積累[5]。土壤有機(jī)質(zhì)的形成和分解過(guò)程都離不開微生物的參與,微生物利用外源有機(jī)物質(zhì)合成的代謝產(chǎn)物,以及微生物周轉(zhuǎn)中自然死亡的微生物死體都可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量; 在外源有機(jī)物質(zhì)C 或N 源不足情況下,微生物也消耗土壤本身有機(jī)質(zhì)[40,71-72]。高鹽環(huán)境可能降低微生物活性并改變微生物群落結(jié)構(gòu),抑制微生物呼吸和土壤有機(jī)質(zhì)礦化,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量; 但是同時(shí)也抑制了外源有機(jī)物質(zhì)向土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程,降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量[12-13]?？梢?jiàn),鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)積累與鹽分驅(qū)動(dòng)下的土壤微生物特征密切相關(guān),明確鹽分對(duì)土壤微生物特征的影響規(guī)律及微生物作用下的土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程,可以針對(duì)性地提升鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)含量和耕地質(zhì)量,促進(jìn)鹽堿地綠色可持續(xù)發(fā)展。

土壤有機(jī)質(zhì)可以按照物理或化學(xué)方法進(jìn)行分組,如團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)質(zhì)、不同穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)等[70,73]。土壤鹽分增加可以降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,Dong 等[74]研究發(fā)現(xiàn)采用1 g·L-1、4 g·L-1和8 g·L-1咸水連續(xù)灌溉14年后,＞1 mm 土壤團(tuán)聚體比例從1 g·L-1處理的16.28%降低到4 g·L-1和8 g·L-1處理的11.41%和5.38%,＞1 mm 土壤團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳含量分別為1.63 g·kg-1、1.08 g·kg-1和0.59 g·kg-1。趙哲萱等[75]的研究也表明鹽堿土壤有機(jī)碳以小團(tuán)聚體有機(jī)碳為主,秸稈還田可以增加土壤大團(tuán)聚體比例及其結(jié)合有機(jī)碳的含量。此外,鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)以穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)為主,一方面鹽漬化土壤外源有機(jī)物質(zhì)投入量低,而外源有機(jī)物質(zhì)首先轉(zhuǎn)化成活躍性有機(jī)質(zhì); 另一方面鹽漬化土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)差,活躍性有機(jī)碳很容易被礦化[27]。Dong 等[67]研究河套地區(qū)5 種不同類型鹽漬化土壤,發(fā)現(xiàn)鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)C/N 平均值為6.5,遠(yuǎn)低于肥沃土壤(C/N 約為10); Py-GC/MS 分析結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)組分中含N 物質(zhì)所占比例為14%,遠(yuǎn)高于肥沃土壤(3.8%),可見(jiàn)鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)更加穩(wěn)定。然而,有研究表明土壤有機(jī)質(zhì)在鹽堿土壤中的溶解度增加,從而增加了微生物可利用的底物,提高了土壤有機(jī)質(zhì)被礦化的風(fēng)險(xiǎn)[76]。當(dāng)然,這種高鹽環(huán)境下促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)礦化的現(xiàn)象,與向土壤中加入外源有機(jī)物質(zhì)類似,起初的微生物活動(dòng)加劇,微生物量和微生物呼吸也隨之增加,但是隨著可利用底物的減少,土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率很快降低[50,53,77](圖2)。

圖2 土壤鹽漬化過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量和穩(wěn)定性變化Fig.2 Soil organic matter (SOM) content and stability changes during soil salinization

5 結(jié)語(yǔ)與展望

通過(guò)上述分析可以看出,土壤鹽分、土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和土壤微生物在鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)積累過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用,且彼此相互牽制。鹽漬化土壤質(zhì)量提升的首要目標(biāo)是降低土壤含鹽量,但是土壤含鹽量的降低往往離不開土壤有機(jī)質(zhì)的增加和團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的改良,而土壤有機(jī)質(zhì)的積累是微生物利用外源有機(jī)物質(zhì)代謝和自身生物量周轉(zhuǎn)的結(jié)果。因此,本文提出在探討鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)提升的機(jī)理時(shí),應(yīng)圍繞土壤鹽分驅(qū)動(dòng)下的“土壤團(tuán)聚體”和“土壤微生物”周轉(zhuǎn)過(guò)程開展研究,重點(diǎn)深入開展以下幾個(gè)方面研究:

1)土壤鹽分類型及離子組成對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、土壤微生物特征的影響差異很大,進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)的形成和分解過(guò)程。以提高鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)含量為目的,首要必須明確不同鹽分類型及離子組成與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定、微生物量和微生物代謝特征的定量關(guān)系,結(jié)合土壤團(tuán)聚體、土壤微生物在有機(jī)質(zhì)積累中的作用,進(jìn)一步明確特定鹽分環(huán)境下土壤有機(jī)質(zhì)的理論含量及組分特征,從而揭示鹽分驅(qū)動(dòng)下土壤有機(jī)質(zhì)提升的土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)機(jī)制。

2)向鹽漬化土壤中添加有機(jī)物料一方面可以資源化利用農(nóng)林廢棄物,另一方面可以提升鹽漬化土壤質(zhì)量。提高鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅是鹽漬化土壤質(zhì)量提升的核心目標(biāo),也應(yīng)該是鹽漬化土壤質(zhì)量提升的第一步,因?yàn)辂}漬化土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、微生物特征、土壤鹽分等許多因子很難改變,但是鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)的積累是一個(gè)復(fù)雜且緩慢的過(guò)程,土壤有機(jī)質(zhì)的最初來(lái)源是外源有機(jī)物質(zhì)。目前關(guān)于鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)積累的速率、外源有機(jī)物料種類與添加量和有機(jī)質(zhì)積累速率的關(guān)系以及影響因素尚不清晰,因此應(yīng)開展圍繞鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)積累的長(zhǎng)期定位的定量研究。

3)提高鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)也降低了土壤含鹽量,改善了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu),豐富了土壤微生物群落,最終落腳點(diǎn)在鹽堿耕地質(zhì)量提升效果上,從而準(zhǔn)確評(píng)估鹽堿耕地質(zhì)量提升的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益等,為鹽堿地綠色可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。