董心亮,王金濤,田 柳,婁泊遠,張雪佳,劉 彤,劉小京,孫宏勇

(中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022)

全球鹽漬化土壤面積約9.32×109hm2[1],我國鹽漬化土壤面積約3.6×107hm2,占全國可利用土地面積的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的加劇,鹽堿地面積仍在持續(xù)增加[4]。

土壤鹽漬化導致了土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)的損失量約3.47 t·hm-2[5],我國鹽堿地土壤有機質(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,1/3 的糧食減產(chǎn)與土壤有機質(zhì)減少和土地退化有關(guān)[7]。土壤有機質(zhì)是耕地質(zhì)量的核心,不僅參與土壤團聚結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,也為植物和微生物生長提供養(yǎng)分[8-9]。因此,在人口增長和糧食需求的矛盾下,提高鹽堿地土壤有機質(zhì)含量將有助于提升鹽堿耕地質(zhì)量、保障糧食安全。

鹽堿地作為我國最主要的中低產(chǎn)田類型之一,分布廣泛,土壤有機質(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,這些都會影響土壤微生物活動及土壤有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)過程[12-13]。同時,土壤鹽分、土壤團聚結(jié)構(gòu)、土壤微生物和土壤有機質(zhì)之間存在著錯綜復(fù)雜的關(guān)系,彼此相互牽制。鹽分含量高是驅(qū)動鹽堿地其他特征改變的最初動力,降低含鹽量和提高土壤有機質(zhì)含量是鹽堿耕地質(zhì)量提升的最終目標,土壤團聚結(jié)構(gòu)和微生物在這些過程中扮演著重要角色。目前已有許多學者研究了鹽漬化土壤質(zhì)量提升的措施,如物理、化學和生物措施,取得了重要進展[6]。開展鹽堿地綜合利用對保障國家糧食安全、端牢中國飯碗具有重要戰(zhàn)略意義。然而關(guān)于鹽漬化土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)過程的研究很少,內(nèi)在機理也不明確[10-11]。

因此,本文通過梳理和總結(jié)土壤鹽漬化及其危害、鹽堿土壤有機質(zhì)特征及積累規(guī)律的研究進展,結(jié)合鹽分通過影響土壤團聚結(jié)構(gòu)和微生物進而對土壤有機質(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理,并提出未來我國鹽堿土壤有機質(zhì)積累方向的研究展望,一方面有利于推進“碳達峰碳中和”進程,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

土壤鹽漬化是指過量土壤鹽分離子積累的過程,鹽漬化土壤嚴重抑制植物功能和生長[14],如影響植物養(yǎng)分和水分吸收,破壞植物生長發(fā)育過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2050年50%的可利用土地將會發(fā)生干旱或鹽漬化[16]。全球土壤鹽漬化面積增加對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響,嚴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?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包括滲透脅迫和離子毒害兩個方面[15]。當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入植物體[20]。此外,盡管土壤溶液的離子幾乎都是植物生長所必需的元素,但是當一種或多種離子濃度過高時,植物細胞或組織將受到毒害,也會引起一系列的反應(yīng),如抑制葉肉細胞生長,導致氣孔關(guān)閉,降低光合速率,破壞蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,最終導致細胞死亡等[21]。土壤鹽漬化抑制植物生長,源頭上減少了土壤外源有機物質(zhì)的投入,不利于土壤有機質(zhì)的積累。

此外,土壤鹽漬化也會影響土壤微生物活動[13]。與植物的鹽分脅迫類似,隨著土壤鹽分的增加,微生物細胞出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,為了保持細胞膨壓,微生物細胞開始產(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ATP[23],這種巨大的能量消耗迫使微生物從生長策略調(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,進而影響了土壤有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)過程[13]。

2 土壤鹽漬化對土壤團聚結(jié)構(gòu)的影響

土壤團聚體是土壤的“細胞”,也是微生物重要的棲息地,由土壤顆粒(砂粒、粉粒和黏粒)與有機或無機物質(zhì)膠結(jié)而成,按照團聚體粒徑分組,通常以0.25 mm 為界分為大團聚體和小團聚體[25-26]。土壤團聚體穩(wěn)定性用平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)表示,大團聚體比例越高,團聚體穩(wěn)定性越高。土壤團聚體穩(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)分運移等,這些過程也會進一步影響土壤有機質(zhì)的形成和分解過程[27]。土壤團聚體可以保護土壤有機質(zhì),同時土壤有機質(zhì)可以作為膠結(jié)物質(zhì)促進團聚體形成,二者相輔相成[25]。影響土壤團聚體穩(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、有機質(zhì)、鐵鋁氧化物含量等,以及外界環(huán)境特征包括氣候、時間、微生物、植物根系、土壤動物、耕作措施、有機物料投入、作物類型和種植制度等[28]。這些因素通過影響團聚體穩(wěn)定性,都將進一步影響土壤有機質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)。

鹽漬化土壤團聚結(jié)構(gòu)差,因為高含量Na+可以使土壤顆粒崩解、膨脹和分散,最終破壞土壤團聚結(jié)構(gòu),這也是著名的擴散雙層理論(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,也會影響水分入滲率和導水率。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(如電導率＞1.5 dS·m-1)可以促進土壤顆粒絮凝[30],這是因為土壤鹽分(如Ca2+、Mg2+等多價離子)可以使土壤顆粒表面吸附的陽離子更加緊密地結(jié)合起來,保持土壤團聚結(jié)構(gòu),提供良好的通氣環(huán)境和水分運輸環(huán)境。因此,為了提高鹽漬化土壤團聚結(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,土壤含鹽量高將會降低水分有效性,抑制植物生長,進而減少外源有機物質(zhì)輸入,導致土壤有機碳礦化率增加[10]。可見不同的鹽分類型對土壤團聚結(jié)構(gòu)及土壤有機質(zhì)保護的影響不一致,這是因為多價離子(如Ca2+)可以將帶負電荷的土壤黏粒和土壤有機質(zhì)結(jié)合到一起,減少土壤有機質(zhì)被礦化的風險; 而單價離子(如Na+)占據(jù)大量交換點位時,有機分子和土壤礦物表面的連接作用減弱,導致土壤有機質(zhì)的物理保護變?nèi)?圖1),增加微生物對其的可利用性[33-34]。

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

改善鹽漬化土壤團聚結(jié)構(gòu)的方法很多,包括物理、化學和生物措施等。對鹽漬化土壤進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,進而增加土壤有機質(zhì)含量; 增加植物或微生物量,可以增加生物分泌物(如有機酸),提高Ca2+的溶解度,增加團聚體穩(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物質(zhì)(如秸稈、有機肥等)也可以增加團聚體穩(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,也可以增強土壤有機質(zhì)的物理保護,最終提升鹽堿土壤質(zhì)量[36-37]。可見,降低鹽漬化土壤鹽分、提高團聚體穩(wěn)定和增加土壤有機質(zhì)含量,三者密不可分,任何一個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質(zhì)積累與外源有機物料添加的種類和數(shù)量的定量關(guān)系,以及有機質(zhì)積累過程中土壤團聚體穩(wěn)定性的變化尚沒有清晰的認識。

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

3 土壤鹽漬化對微生物特征的影響

土壤微生物不僅是土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)、養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動者,也是土壤有機質(zhì)的重要組成部分,因此任何鹽分積累對微生物的影響都會影響土壤有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)過程[38]。一方面微生物通過礦化作用減少土壤有機質(zhì)含量,另一方面微生物周轉(zhuǎn)過程中的微生物死體占土壤有機質(zhì)含量的10%～80%[39-40],因此,土壤微生物在土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)過程中扮演著“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議,現(xiàn)有的結(jié)果和結(jié)論比較碎片化,沒有形成系統(tǒng)的鹽分驅(qū)動下微生物在土壤有機質(zhì)積累過程中的作用理論[13]。

鹽分對微生物的傷害與對植物的傷害類似,通過離子產(chǎn)生的滲透勢效應(yīng)和毒害抑制微生物活動。在高鹽環(huán)境中,為了維持細胞膨壓,防止脫水,微生物不得不通過滲透調(diào)節(jié)策略,在細胞質(zhì)中積累離子或小分子有機物(氨基酸和多糖等)降低滲透勢[22]。K+毒性小于Na+,因此微生物更傾向通過Na+/H+反向運輸或呼吸驅(qū)動的Na+泵將Na+排出,保留K+。當然Na+的排出和有機分子在細胞質(zhì)內(nèi)的積累均需要能量代價,微生物產(chǎn)生1 分子滲透物質(zhì)需要消耗23～79個ATP 分子[23]。此外,鹽堿土壤的含鹽量和含水量時刻處于波動狀態(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。因此,能量消耗適應(yīng)機制迫使微生物利用有限資源從生長發(fā)育策略轉(zhuǎn)變?yōu)樯娌呗?導致微生物代謝熵(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,從而減少土壤有機質(zhì)的積累[24]。

土壤微生物數(shù)量是反映微生物活性和評價土壤質(zhì)量的重要指標之一,土壤微生物量碳也是土壤有機質(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),與外源有機物質(zhì)輸入量低也有關(guān)系[43-44],許多研究表明外源有機物質(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 項關(guān)于土壤鹽分和微生物數(shù)量的研究,并沒有發(fā)現(xiàn)土壤鹽分和微生物數(shù)量的負相關(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[50-51]?？梢?不同類型或不同含鹽量土壤中微生物數(shù)量差異很大,可能導致微生物死體對土壤有機質(zhì)的貢獻差異很大。氨基糖作為微生物死體的生物標記物可以定量微生物死體對土壤有機質(zhì)的貢獻,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土壤有機質(zhì)貢獻的研究非常有限。因此,明確鹽堿土壤微生物數(shù)量及其對土壤有機質(zhì)的貢獻有助于揭示鹽堿土壤有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)機理。

微生物呼吸是研究土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)過程中最常用的指標之一。土壤鹽分往往抑制微生物呼吸,但是不同鹽分類型對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,可能是因為高pH 導致土壤團聚結(jié)構(gòu)破壞,增加了微生物底物有效性[27]。可見,土壤離子組成對微生物呼吸的影響十分重要。此外,添加外源有機物質(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物質(zhì)添加對微生物呼吸的影響與微生物生長期有關(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制,將更多的資源和能量用于維持細胞滲透勢,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險[56-58]。不同土壤和不同類型的酶對土壤鹽分的響應(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,而過氧化氫酶活性增強。

細菌和真菌在土壤有機質(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,因為真菌的細胞壁含有幾丁質(zhì),為應(yīng)對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菌和真菌對土壤鹽分積累的敏感性有差異[47,62]。真菌/細菌比例隨鹽度的變化可能會影響土壤中的碳循環(huán),因為真菌能夠分解更復(fù)雜的有機物質(zhì)(纖維素、木質(zhì)素等),而細菌更傾向利用活躍性有機碳[63]; 此外,真菌死體在土壤中的周轉(zhuǎn)時間比細菌死體的周轉(zhuǎn)時間長[64]。外源有機物質(zhì)輸入可以增加真菌所占比例[47,65]。因此,外源有機物質(zhì)添加可以定向調(diào)控土壤微生物的真菌與細菌比例,增加腐生真菌積累土壤有機質(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,降低了呼吸速率,導致鹽堿土壤有機質(zhì)的礦化減少; 同時,微生物在鹽堿脅迫條件下分泌的有機物質(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質(zhì)的積累。可見微生物在鹽堿土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)過程中扮演著“雙刃劍”的角色,向鹽堿土壤中添加外源有機物質(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,最終增加土壤有機質(zhì)含量。但是外源有機物質(zhì)添加量與鹽堿土壤有機質(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質(zhì)積累量和積累速度是否存在差異?這些問題及背后的機理尚不清楚,回答這些問題有助于深入理解鹽堿土壤有機質(zhì)的積累過程,針對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 鹽漬化土壤有機質(zhì)特征及土壤團聚體和微生物的作用

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫,其儲量是大氣或植物碳儲量的2 倍之多,土壤有機碳庫的微小變化可以引起大氣CO2濃度的巨大波動[66]。土壤有機碳的載體-土壤有機質(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,進而提高作物產(chǎn)量等[8-9]。

土壤有機質(zhì)含量是外源有機物質(zhì)輸入與土壤有機質(zhì)分解過程平衡的結(jié)果[9]。鹽漬化土壤有機質(zhì)含量一般較低[10,67],這是因為: 1)鹽漬化土壤外源有機物質(zhì)輸入量低,土壤鹽分積累嚴重影響植物生長,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程,如過量Na+和Mg2+可能破壞細胞形態(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 代謝過程受到抑制[68]。2)土壤膠體顆粒帶負電荷,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,導致土壤團聚結(jié)構(gòu)破壞,增加土壤水蝕和風蝕的風險,同時也增加了團聚體內(nèi)受保護的有機質(zhì)礦化的風險[69-70]。土壤團聚結(jié)構(gòu)可以對土壤有機質(zhì)進行物理保護,同時土壤有機質(zhì)含量的增加可以促進土壤團聚結(jié)構(gòu)的形成[25]。土壤鹽分通過影響土壤團聚結(jié)構(gòu),進而影響土壤化學和生物學過程[19]?？梢?土壤鹽漬化通過減少輸入和增加礦化兩方面抑制了土壤有機質(zhì)的積累[5]。土壤有機質(zhì)的形成和分解過程都離不開微生物的參與,微生物利用外源有機物質(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質(zhì)含量; 在外源有機物質(zhì)C 或N 源不足情況下,微生物也消耗土壤本身有機質(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質(zhì)礦化,增加土壤有機質(zhì)含量; 但是同時也抑制了外源有機物質(zhì)向土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程,降低了土壤有機質(zhì)含量[12-13]?？梢?鹽漬化土壤有機質(zhì)積累與鹽分驅(qū)動下的土壤微生物特征密切相關(guān),明確鹽分對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質(zhì)周轉(zhuǎn)過程,可以針對性地提升鹽堿地土壤有機質(zhì)含量和耕地質(zhì)量,促進鹽堿地綠色可持續(xù)發(fā)展。

土壤有機質(zhì)可以按照物理或化學方法進行分組,如團聚體結(jié)合有機質(zhì)、不同穩(wěn)定性有機質(zhì)等[70,73]。土壤鹽分增加可以降低土壤團聚體穩(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 土壤團聚體結(jié)合有機碳含量分別為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碳以小團聚體有機碳為主,秸稈還田可以增加土壤大團聚體比例及其結(jié)合有機碳的含量。此外,鹽堿土壤有機質(zhì)以穩(wěn)定性有機質(zhì)為主,一方面鹽漬化土壤外源有機物質(zhì)投入量低,而外源有機物質(zhì)首先轉(zhuǎn)化成活躍性有機質(zhì); 另一方面鹽漬化土壤團聚結(jié)構(gòu)差,活躍性有機碳很容易被礦化[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)鹽漬化土壤有機質(zhì)C/N 平均值為6.5,遠低于肥沃土壤(C/N 約為10); Py-GC/MS 分析結(jié)果表明土壤有機質(zhì)組分中含N 物質(zhì)所占比例為14%,遠高于肥沃土壤(3.8%),可見鹽漬化土壤有機質(zhì)更加穩(wěn)定。然而,有研究表明土壤有機質(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,提高了土壤有機質(zhì)被礦化的風險[76]。當然,這種高鹽環(huán)境下促進土壤有機質(zhì)礦化的現(xiàn)象,與向土壤中加入外源有機物質(zhì)類似,起初的微生物活動加劇,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,土壤有機質(zhì)的礦化速率很快降低[50,53,77](圖2)。

圖2 土壤鹽漬化過程中土壤有機質(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)語與展望

通過上述分析可以看出,土壤鹽分、土壤團聚結(jié)構(gòu)和土壤微生物在鹽漬化土壤有機質(zhì)積累過程中均發(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質(zhì)的增加和團聚結(jié)構(gòu)的改良,而土壤有機質(zhì)的積累是微生物利用外源有機物質(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質(zhì)提升的機理時,應(yīng)圍繞土壤鹽分驅(qū)動下的“土壤團聚體”和“土壤微生物”周轉(zhuǎn)過程開展研究,重點深入開展以下幾個方面研究:

1)土壤鹽分類型及離子組成對土壤團聚結(jié)構(gòu)、土壤微生物特征的影響差異很大,進而影響土壤有機質(zhì)的形成和分解過程。以提高鹽漬化土壤有機質(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)合土壤團聚體、土壤微生物在有機質(zhì)積累中的作用,進一步明確特定鹽分環(huán)境下土壤有機質(zhì)的理論含量及組分特征,從而揭示鹽分驅(qū)動下土壤有機質(zhì)提升的土壤物理、化學和生物學機制。

2)向鹽漬化土壤中添加有機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質(zhì)含量不僅是鹽漬化土壤質(zhì)量提升的核心目標,也應(yīng)該是鹽漬化土壤質(zhì)量提升的第一步,因為鹽漬化土壤團聚結(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質(zhì)的積累是一個復(fù)雜且緩慢的過程,土壤有機質(zhì)的最初來源是外源有機物質(zhì)。目前關(guān)于鹽漬化土壤有機質(zhì)積累的速率、外源有機物料種類與添加量和有機質(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質(zhì)積累的長期定位的定量研究。

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