碱性离子富集添加剂与工业副产物协同调控土壤微生物群落并竞争吸附Al3+提升酸性土壤肥力及玉米产量

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Competitive adsorption of phytotoxic exchangeable Al3+ and directed enrichment of microbial community introduced by base ion-enriched additive and industrial by-product enhance soil fertility and maize yield

本研究针对酸性土壤中铝毒害和肥力下降问题，通过盆栽实验、微生物测序和分子模拟计算，探究羧甲基纤维素钠(CMC)与脱硫磷石膏(DP)联合施用对强酸性土壤的改良机制。结果表明CMC+DP使土壤交换性Al3+降低78.68-79.60%，碱基离子浓度提升59.93-102.27%，玉米百粒重增加50.57-155.48%。分子动力学揭示CMC通过-COOH/-OH官能团与Al3+的竞争性静电吸引实现铝固定化，并促进 Acidobacteriota等有益微生物富集。该研究为工业副产物与可降解聚合物协同修复酸性土壤提供了新策略。

　　

当土壤pH值持续下降，一种看不见的"杀手"——交换性铝离子(Al³⁺)便开始在土壤中积累，它们会抑制作物根系生长，破坏微生物群落平衡，最终导致农作物减产。在中国南方广泛分布的酸性土壤中，这个问题尤为突出。传统的土壤改良剂如石灰和生物炭虽然有一定效果，但存在流动性差、成本高、易造成土壤板结等局限性。面对这一挑战，中国科学院山地灾害与环境研究所的何德波研究员团队将目光投向了两种看似普通的材料：羧甲基纤维素钠(CMC)和脱硫磷石膏(DP)。

CMC是一种水溶性阴离子多糖衍生物，具有良好的生物降解性和成本优势；DP则是磷肥工业的副产物，富含钙离子等碱性物质。研究人员假设，将这两种材料联合使用可能产生协同效应，更有效地缓解土壤酸化和铝毒害问题。他们的研究成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上，揭示了这一组合在分子水平和微生物层面的作用机制。

为验证这一假设，研究团队采用了多学科交叉的研究方法：通过盆栽实验评估土壤理化性质和玉米生长响应；利用微生物测序分析细菌和真菌群落结构变化；结合密度泛函理论计算和分子对接技术，从分子层面阐释CMC官能团与铝离子的相互作用机制。实验选用两种典型酸性土壤（雅安市的黄色土壤和宜宾市的紫色土壤），设置常规施肥(CK)、CMC、CMC+DP三种处理进行对比。

土壤性质与作物表现的改善

研究发现，CMC+DP处理显著改善了土壤环境。在黄色土壤中，CMC+DP使土壤pH从4.46升至5.10，交换性酸度（主要成分为Al³⁺）降低78.68%；在紫色土壤中，交换性Al³⁺降幅达79.60%。同时，土壤交换性碱基离子浓度提升59.93-102.27%，阳离子交换量(CEC)增加9.01-37.18%，土壤酸缓冲能力(ABC)增强46.47-49.55%。

养分分析显示，CMC+DP处理下土壤有机质(SOM)含量显著增加，碱性水解氮(AHN)在两种土壤中均达到最高值。DP的添加特别提升了土壤全磷(TP)和有效磷(P₂O₅)含量，而CMC则促进了钾素的有效性。

作物生长方面，CMC+DP处理显著提升了玉米的光合速率（24.47-48.65%）、根系生物量和百粒重（50.57-155.48%）。相关性分析表明，土壤交换性酸度与作物生长指标呈显著负相关，而CMC+DP处理在排序图中远离CK，显示出明显的改良效果。

微生物群落与酶活性的响应

微生物测序结果揭示了CMC+DP对土壤微生物组的重塑作用。在细菌群落中， Acidobacteriota、Gemmatimonadota和Verrucomicrobiota等有益菌门的相对丰度显著增加；真菌群落中， Ascomycota比例上升，而Chytridiomycota等有害菌群减少。尤其值得注意的是，丛枝菌根真菌Glomeromycota在CMC+DP处理中明显富集。

土壤酶活性检测显示，CMC+DP处理显著提高了纤维素酶、脲酶和中性磷酸酶活性。其中纤维素酶活性增加65.27 nmol h^-1 g^-1，脲酶活性达349.72 nmol h^-1 g^-1，中性磷酸酶活性为795.77 nmol h^-1 g^-1。这些酶活性的增强促进了土壤有机质分解和养分循环。

分子机制的理论阐释

通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和分子模拟计算，研究团队从分子层面揭示了CMC的作用机制。接触角测量显示CMC具有强亲水性（49.05°），其表面的-COOH和-OH官能团是与金属离子相互作用的关键位点。

密度泛函理论计算表明，CMC与Al³⁺的复合物具有最高的HOMO-LUMO能隙（-42.29 kcal mol^-1），说明Al³⁺与CMC官能团之间存在强烈的电子相互作用。分子对接结果显示，CMC与土壤活性酶（5I2U、1XSQ、8QPT）的结合能显著高于未修饰的纤维素，其中与5I2U的结合能达-459.02 kcal mol^-1，比对照组高125.71%。

讨论与展望

该研究系统阐明了CMC+DP在酸性土壤改良中的多重机制：DP通过释放SO₄^2-和Ca²⁺促进OH^-生成和铝离子固定化；CMC则通过官能团络合和三维网状结构物理包封Al³⁺；两者的协同作用增强了土壤通透性和养分保持能力。微生物群落的重塑和酶活性提升进一步促进了铝毒害缓解和养分循环。

尽管盆栽实验结果令人鼓舞，但研究者也指出了一些局限性。缺乏与石灰、生物炭等传统改良剂的直接对比，以及田间验证的不足，是未来研究需要完善的方向。长期施用可能导致的钠离子积累、硫酸根淋溶等潜在风险也需要进一步评估。

这项研究的价值不仅在于提出了一种具体的酸性土壤改良方案，更重要的是展示了工业副产物与可降解聚合物协同利用的潜力。通过分子水平机制的阐释，为设计新型土壤改良剂提供了理论依据。随着进一步的大田试验和环境安全评估，CMC+DP组合有望成为实现酸性土壤可持续管理的有力工具，为保障粮食安全和促进循环农业提供新思路。