迪力熱巴·阿不都肉蘇力 穆耶賽爾·奧斯曼 祖力胡瑪爾·肉孜 馬勤雷瑞峰 安登第

（新疆師范大學生命科學學院 新疆特殊環(huán)境物種保護與調控生物學實驗室，烏魯木齊 830054）

土壤鹽堿化是全球生態(tài)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展的重要威脅，全世界有1.0×109hm2土地受鹽堿的影響［1］，并以每年10%的速度遞增［2］。盡管鹽堿會對生命造成嚴重損害，但土壤中仍活躍著大量且多樣的微生物［3-4］，其在土壤形成、有機質分解、生物地球化學循環(huán)和植物營養(yǎng)等方面起著重要作用［5-6］，特別在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中起著核心作用［7］，并可用于鹽堿土壤的改良［8］，是全球生態(tài)安全的重要保障之一。

區(qū)別于其他生物，微生物占據了地球上所有生物和非生物的生態(tài)位［9］，而與其他環(huán)境一樣，土壤微生物也是生態(tài)選擇和進化適應的結果，其類群結構、多樣性分布等與環(huán)境因子密切相關，極端環(huán)境造就了獨特的微生物群落［10］，而長期的脅迫“馴化”使不同環(huán)境本土類群具備了特殊的生物學特性［11］，進而對土壤結構進行重塑［12］，形成了土壤特性造就微生物類群-微生物改變土壤微環(huán)境-微生物與土壤共同演化的生態(tài)循環(huán)。

1 鹽堿土壤微生物多樣性與功能

土壤系統(tǒng)的空間復雜性和生境的異質性促進了微生物類群的生態(tài)位分配，使其呈現極高的多樣性，據估計占地球生物多樣性的四分之一［13］，每克土壤含有多達109-1010個細胞，其中105-106個為“獨特的分類群”［14］。土壤微生物多樣性受土壤類型、理化性質、地理位置、立地植物等的影響，其中pH是主要因素，塑造了耕地［15］、森林和草原［16］等環(huán)境的特殊微生物組成。

鹽堿嚴重制約土壤微生物的組成，研究發(fā)現其多樣性隨鹽濃度的增加呈線性下降，高鹽會致多樣性降低而相對豐度增加［17］，細菌類群在鹽濃度3.5%-4.5%與4.5%-5.5%之間相似，但與1.5%-2.0%和7.5%-8.5%間顯著不同，其中γ-變形菌門（Gammaproteobacteria）相對豐度與鹽含量呈顯著負相關，β-變形菌門（Betaproteobacteria）和硬壁菌門（Firmicutes）則呈顯著正相關，但放線菌門（Actinobacteria）與鹽和pH均無相關；鹽單胞菌屬（Halomonas）、史密斯氏菌屬（Smithella）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和叢毛單胞菌屬（Comamonas）分別與鹽濃度1.5%-2.0%、3.5%-4.5%、4.5%-5.5%和7.5%-8.5%關系密切［18］，顯示叢毛單胞菌屬具有更強的耐鹽性。

微生物類群對土壤酸堿度的響應不同，細菌豐度和多樣性及類群結構與pH顯著相關，而真菌則受pH和C/N的共同影響［19］。鹽漬土中細菌多樣性低而古菌比例高，而非鹽漬土中細菌比例高［20］。鹽桿菌綱（Halobacteria）、腈基降解菌綱（Nitriliruptoria）、Rhodothermi、γ-變形菌綱和 α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）細菌顯示出對高鹽的偏好性［17］；電導率（electrical conductivity，EC）為58-93 dS/m的鹽漬土中古菌占主導地位，而高于或低于此范圍則細菌占優(yōu)勢；鹽堿土壤中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）是最豐富的類群，非鹽堿土壤中占據前3位的是變形菌門、酸桿菌門（Acidobacteria）和放線菌門，且鹽漬土中門/類的標準差遠高于非鹽堿土，顯示鹽漬土中微生物類群變異更大［20］。

土壤微生物通過固氮或溶磷等為植物提供營養(yǎng)，對營養(yǎng)缺乏生態(tài)系統(tǒng)更加重要。如菌根真菌和固氮細菌可為草原植物每年提供5%-20%的氮素營養(yǎng)，在溫帶和北方森林高達80%，同時還可提供75%的磷元素［21］。即便在貧瘠的南極沙漠土壤中，其微生物被認為是重要的氮輸入源［22］。衡量土壤氮有效性的指標：土壤凈氮礦化率（Nmin）隨土壤微生物生物量、總氮和年均降雨量的增加而顯著增加，但隨土壤pH的升高而降低，而年均降水量、土壤pH和土壤總氮均通過土壤微生物影響Nmin［23］。

土壤微生物類群會改變植物對開花時間的選擇［24］，有益土壤微生物可加速植物開花而促進繁殖［25-26］，以此影響植物對生境的選擇和適應。此外土壤放線菌對土壤生物緩沖、土壤環(huán)境的生物控制有重要作用［27］。據估計，地球上大約有20 000種植物完全依賴微生物共生體來生長和生存，表明土壤微生物是地球植物物種豐富度的重要調節(jié)劑［21］。

2 影響鹽堿土壤微生物多樣性的因素

土壤是地球上微生物最多樣化的環(huán)境［28］，1 g土壤可包含超過10 000個基因組［29］，顯示土壤微生物具備巨大的功能潛力。

2.1 地理因素

生物地理分離和土壤母質差異是造就不同地理環(huán)境微生物多樣性的主要因素，研究表明微生物群落變異中約一半可歸因于棲息地和地理距離［30］。微生物的散布需經載體運輸［31］，故地理分離是地域特有微生物類群與多樣性的主要驅動因子。以南北極為代表的地理因素對土壤微生物多樣性的影響最具典型性，盡管極地被認為是不適合生物生存的“凈土”［32］，但仍然是微生物的天堂，其微生物多樣性多得“令人驚訝”，貧瘠的土壤和巖石地貌沒有阻止原核生物的孕育，且季節(jié)性極端低溫并不妨礙微生物定殖［33］。區(qū)別于動植物，微生物多樣性無明顯的緯度梯度［34］，其原核生物多樣性并不符合“高等生物于高緯度呈現出低多樣性”的典型趨勢［35］，從72°S的哈雷特角到84°S的達爾文冰川的微生物多樣性無差異［36］。但 Shivaji等［37］報道，南極Schirmacher綠洲Zub湖附近土壤中細菌多樣性與大陸架沉積物相似，其原因尚未知。同時極地土著微生物種群的遺傳與生理特征也被重新塑造，如其特有的與細胞壁結構有關的糖基轉移酶和糖基合成酶可能在進化過程中獲取或保留，但這部分相關基因在熱帶菌株中認為被丟失［38］，而其類群［39-40］與生物學特性［41-42］及基因表達［43］也存在巨大差異，表明環(huán)境不僅造就微生物組成，還對其進化產生影響。

2.2 土壤理化因子

鹽堿土壤的理化因子包括鹽的類型，如堿性鹽、中性鹽等，以及各種化學離子，包括SO42-、CO32-、Mg2+、Ca2+等陰陽離子。理化因子對微生物多樣性的影響具有獨特性，表現為不同土壤類型的微生物類群不同，及不同微生物類群對不同鹽堿或離子的耐受程度不同。

土壤鹽堿是控制真菌與細菌平衡的重要因素［44］，其中細菌比真菌更易受到鹽堿脅迫的影響［45］。研究顯示鹽度對細菌群落結構的影響強烈［46］，但也有報道認為與包括有機碳（total organic carbon，TOC）、水分、pH和P等其他因素的相關性更好［4］，而Navarro-Noya等［47］的研究表明鹽堿地古菌群落結構與pH有良好相關性。Li等［48］認為當鹽度恒定時，養(yǎng)分是構建細菌群落的關鍵因素，EC僅起次要作用，但Zhao等［18］認為土壤pH與鹽度對細菌群落的形成同樣重要。pH也是影響北極土壤微生物獨特群落形成的主要因素［49］；干旱區(qū)土壤細菌群落構建也由pH主導而非水分［50］；多年凍土的微生物群落分布也主要受土壤pH和植物多樣性的調節(jié)［51］。Xie等［20］報道，鹽度、酸堿度和TOC均影響原核生物類群分布，但TOC和pH顯著影響鹽堿土壤地表和地下的微生物類群，而EC卻只影響地下。對美洲土壤的研究發(fā)現，pH 6.8的細菌豐度比pH 5.1高60%，pH 5.5土壤的細菌豐富度比pH 4.1高26%［52］。但也有認為決定微生物群落的主要因素是鹽，而不是溫度、pH或其他因素［53］。

不同鹽堿土壤可“馴化”出獨特的微生物類群。新疆瑪納斯河流域4種鹽堿類型土壤中碳酸鹽型土壤細菌多樣性和豐度均顯著高于其他3個，變形菌門、擬桿菌門和放線菌門是硫酸-氯化物鹽型、氯化-硫酸鹽型和硫酸鹽型土壤的優(yōu)勢菌門，硬壁菌門、變形菌門和放線菌門為碳酸鹽型的優(yōu)勢菌門［54］。Liu等［55］對我國北方高鹽沉積物和鹽漬化土壤研究顯示，高鹽沉積物中變形菌門占比達57%-95%，擬桿菌門也比鹽堿土中更豐富，放線菌門在鹽堿土壤中豐度更高，而厚壁菌門僅存在于高鹽樣品中。廢棄鹽漬化農田復墾會顯著影響細菌多樣性和豐度，對復墾10年和15年的鹽漬土研究顯示，經長期馴化和演變，再生土壤的細菌群落趨于穩(wěn)定［11］。Xie等［20］報道，鹽漬土壤中古菌和細菌分別占52.8%和47.2%，與非鹽漬土中的6.8%和93.2%差異巨大；與非鹽漬土相比，鹽漬土的微生物復雜程度較低，但古細菌比例較高。

土壤陰離子也對其微生物組成產生影響，鹽漬土壤中細菌多樣性與Cl-、SO42-、Mg2+、Na+和 Ca2+呈顯著負相關，而群落結構與SO42-和AP呈高度正相關；變形菌門、擬桿菌門和藍細菌門（Cyanobacteria）與CO32-顯著負相關，放線菌門與CO32-和K+顯著負相關，酸桿菌門與CO32-和 K+顯著正相關［11］，顯示碳酸鹽型土壤對細菌多樣性及類群的影響更大。

2.3 立地植物

土壤微生物與植物多樣性密切相關，其功能與組成隨植物多樣性的變化而變化［56］，植物多樣性通過增加生態(tài)系統(tǒng)生物量而調控土壤性質和微生物多樣性。試驗證實，植物多樣性的增加通過養(yǎng)分可及性和土壤理化狀態(tài)的鞏固強烈地影響著土壤微生物群落結構［57-59］，根源有機質輸入是土壤微生物群落特性的主要驅動因素［60-61］，植物豐度提高則微生物豐度增加［62-63］，細菌和真菌的生物量及真/細菌比值也顯著增加，而真菌隨根系生物量增加的幅度大于細菌［61］。

立地植物類型直接影響著土壤微生物的多樣性，如以油松（Pinus tabuliformis）對黃土高原天然草地進行造林改造后，土壤優(yōu)勢菌群由變形菌門向放線菌門轉變，而優(yōu)勢真菌類群由子囊菌門（Ascomycota）向擔子菌門（Basidiomycota）轉變；認為是草地造林后土壤氮的減少導致了微生物群落結構和功能的變化［45］。艾比湖鹽漬土中藜科（Chenopodiaceae）植物鹽穗木（Halostachys caspica）、鹽節(jié)木（Halocnemum strobilaceum）和鹽爪爪（Kalidium foliatum）相關細菌多樣性低于白花丹科（Plumbaginaceae）的大葉補血草（Limonium gmelinii）和茄科（Solanaceae）的黑果枸杞（Lycium ruthenicum），鹽穗木和鹽節(jié)木的細菌群落組成與大葉補血草和黑果枸杞差異巨大［48］，顯示植物類群顯著影響著土壤微生物的組成。

立地植物與土壤微生物是一個生態(tài)共同體。釋放到土壤的根分泌物的數量和質量取決于植物的種類與功能［64］、年齡［65］和土壤條件［66］等，反過來土壤微生物也可影響根分泌物的數量和組成［67］，顯示其相互作用的機制尚未被揭示。但也有研究認為植物多樣性與土壤微生物間沒有直接聯系［68］，土壤細菌多樣性主要由非生物和空間因子決定，植物的功能性狀對土壤細菌多樣性的調節(jié)能力優(yōu)于植物多樣性［69］。此外，一些科學家［70-71］認為植物多樣性與微生物群落和功能間的關系是混合的，原因是二者均會受多種非生物和生物因子的影響［64，72］。

3 微生物對鹽堿土壤的改造

生物改良是鹽堿土壤利用的研究熱點，目前采用的技術包括增加土壤有機質和施加微生物肥料以改善土壤微生物群落結構等。

生物炭是生物質在無氧或微氧條件下低溫熱轉化的產物，具有提高土壤碳含量、保水、有益于土壤微生物棲息與活動的功能而備受關注。研究認為早在數百年前亞馬遜印第安人就會將生物炭和有機質摻入土壤，創(chuàng)造出肥沃的黑土［73］，據此研究者采用多種措施增加生物炭以對鹽堿土壤進行改造，如對蘇打型鹽堿地添加玉米秸稈生物炭可顯著減少鹽和堿對土壤功能的影響［74］；源于加拿大一枝黃花（Solidago canadensis L.）的生物炭可改善沿海鹽堿地土壤的交換性鈉脅迫并顯著影響小白菜（Brassica chinensis L.）和微生物的生長和生物多樣性［75］；吳丹等［76］利用滸苔生物炭用于濱海鹽堿土修復，證實其可增強微生物活性和改善土壤營養(yǎng)可利用性，土壤有機質提高42. 64%，并分別使土壤蔗糖酶、脲酶及過氧化氫酶活性提高2.39、1.18和1.50倍。生物炭還可增強土壤團聚體的穩(wěn)定性并導致微生物群落結構改變［77］，還對土壤微生物具有“啟動效應”，提高或降低土壤原生有機碳的分解速率［78］，從而促進土壤改良。

微生物肥料是依據特定需要將活的微生物菌株制作成的生物制劑，其功能主要是通過微生物的生命活動增加植物營養(yǎng)供應或提供包括植物激素等調節(jié)因子［79］，或拮抗土壤中的植物病原菌等［80］。鹽堿土壤中有益根圍微生物可提高植物蛋白質和光合色素合成而促進植株生長和生物量的增加［81］，具有ACC -脫氨酶活性的微生物可誘導植物對鹽和干旱的耐受［82-83］。給鹽漬化土壤施用微生物菌肥可使土壤中Na+、Cl-顯著下降而K+、SO42-上升［84］；菌肥還可降低燕麥根區(qū)土壤pH和EC，有效提高土壤含水量、微生物生物量及土壤酶活性［85］。鹽堿土壤微生物也被證實具有改良功能，一株分離自鹽堿環(huán)境的可耐受pH 12和20%鹽濃度、被鑒定為馬氏芽孢桿菌（B. marmarensis）的菌株可使鹽堿土壤中的蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性分別提高23.2%、68.8%和106.5%，并可使小麥的株高、鮮重和干重分別提高21.8%、57.9%和41.7%，小麥根系超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性分別增長109.6%、17.8%和50%，丙二醛含量減少39.8%，顯示該菌株對鹽堿土壤具有顯著改良作用并可促進立地植物的生長［86］；同樣，一株分離自鹽堿地的被鑒定為海水鹽單胞菌（H. aquamarina）的菌株降堿能力為8.7%、產IAA的能力為8.97 mg/L，在鹽脅迫下可提高小麥的發(fā)芽率和幼苗的根長［87］；一株分離自土壤的貝萊斯芽孢桿菌（Bacillus velezensis）菌株FKM10能夠抑制土壤中的植物真菌病原體，可通過促進養(yǎng)分吸收、改變土壤微生物群落結構及減少真菌多樣性而促進湖北海棠（Malus hupehensis Rehd.）的生長［88］。但目前這類研究尚處于探索階段，盡管已取得一定進展，但鑒于鹽堿土壤成分的復雜性和微生物菌株適應性與代謝特性的差異，尚難以獲得具有普適性的菌株用于土壤改良。為此，加強對不同鹽堿土壤本土微生物特性與代謝特性的研究，是其應用于土壤改良的基礎。

鹽堿土壤改良必然會對其微生物多樣性產生影響，不同改良方法其影響亦不同，其中客土法因攜帶原位微生物而可在短時間內顯著改變其類群［89］；土壤有機質的增加會明顯改變微生物類群與豐度，如Jiang等［90］分析了4種不同施肥制度對濱海鹽漬土微生物的影響發(fā)現，有機質輸入可使土壤細菌豐度增加3倍，但同時導致細菌多樣性降低，其中受影響最為顯著的是變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門。隨鹽堿土壤的改良，其鹽度和pH必然相應下降，故此其微生物類群亦相應改變［18，46］，而伴隨復墾等改良措施的實施，微生物類群與結構也會顯著改變［11］。無論是生物的或是非生物的改良，均會導致微生物間的相互關系向良性發(fā)展，而什么樣的類群能夠代表土壤健康，須根據不同地域和鹽堿土壤的理化性質分別對待，尚無統(tǒng)一的標準可供參考。

4 展望

土壤微生物是鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)重要的調控者，其群落組成的變化先于土壤可檢測理化性質，故成為環(huán)境脅迫或生態(tài)演化的早期預警指標［91］。鹽堿土壤微生物類群與結構首先受土壤性質特別是含鹽量和pH的影響，隨之而建立的微生物群落，其代謝過程特別是產物的積累會改變微環(huán)境，從而進一步改變微生物類群，在此進程中土壤有機質具有決定作用，此亦是鹽堿土壤改良的物質基礎。盡管對鹽堿土壤微生物多樣性的影響因子報道較多，而將微生物應用于鹽堿地的改良嘗試也才剛剛起步，對哪些微生物可用于改良哪種類型的鹽堿土還缺乏足夠的認識。全面了解鹽堿土壤微生物多樣性和群落組成及其生存機制是將其應用于土壤改良的第一步，獲得純培養(yǎng)菌株并對其生物學特性及代謝生理進行深入研究是了解其應用潛力的重要一環(huán)，但目前仍有99%的微生物處于未培養(yǎng)狀態(tài)，嚴重限制了其資源的開發(fā)利用。盡管有科學家提出可以人為設計微生物群落來優(yōu)化預期功能［92］，但仍需首先了解常見和罕見微生物在不同生態(tài)系統(tǒng)類型中的功能［93］。隨著生物學技術與方法的創(chuàng)新和進步，鹽堿地微生物研究越來越受到全世界科學家的重視，以宏基因組學及宏代謝組學等為代表的現代“組學”技術為開發(fā)和利用未培養(yǎng)微生物資源提供了可能，而與相應的有機質輸入相關的微生物類群與功能解析必將為其應用于鹽堿土改良提供更多理論與技術支持，其中“本土”微生物以其因長期“馴化”所獲得的特殊適應性成為鹽堿土壤生物改良的首選。