人工腐殖酸与微生物菌剂联合改良盐碱土的机制研究

《Land Degradation & Development》：Mechanism of Combined Improvement of Saline-Alkali Soil by Artificial Humic Acid and Microbial Inoculant

　　

摘要：为应对盐碱土对全球农业生产造成的广泛制约，研究人员通过盆栽试验评估了人工腐殖酸（artificial humic acid，AHA）与多功能微生物菌剂联合施用对盐碱土的改良效果及碳循环调控作用。结果表明，AHA（4 g·kg^?1）与微生物菌剂（1 g·kg^?1）配施显著改善了土壤理化性质：土壤pH值降低11.0%，电导率（EC）和Na⁺含量分别降低20.7%和38.6%。土壤脲酶和过氧化氢酶活性分别提高100%和25%。该联合处理使作物产量增加64.2%。微生物分析表明，处理组细菌α多样性和β多样性均有所提高，并伴随显著的群落结构重组，表现为功能性类群富集和耐盐类群减少。此外，土壤碳代谢途径发生重构：卡尔文循环和还原性乙酰辅酶A途径受到抑制，而还原性三羧酸循环和3-羟基丙酸双循环等厌氧固碳途径得到促进。在碳降解方面，淀粉和木质素分解酶系统被优先激活，而纤维素酶活性受到暂时抑制。这些发现阐明了AHA与微生物菌剂联合改良盐碱土及调控碳循环的关键机制，为全球盐碱地的可持续管理提供了理论基础，并增进了对盐碱环境中养分-微生物-碳循环相互作用的理解。

**论文解读：人工腐殖酸与微生物菌剂联合改良盐碱土的机制研究**

**一、研究背景与科学问题**

土壤盐碱化是以可溶性盐和碱性物质在表土中积累为标志的物理化学退化过程，导致土壤盐分升高和pH值偏高。全球超过10%的农业土壤受到盐碱化影响。高盐和高碱的协同效应会恶化土壤结构、降低养分有效性、抑制微生物活性并干扰关键生物地球化学循环，进而影响作物水分和养分吸收、引发氧化应激反应并导致大幅减产。因此，盐碱土的修复与可持续管理已成为保障区域粮食安全的重要研究方向。

在现有修复技术中，微生物菌剂作为多功能改良剂包含多种核心微生物类群，耐盐菌株在施用后可快速定殖并分泌胞外多糖等代谢产物，促进土壤团聚体形成、降低容重并改善土壤保水性、通气性和缓冲能力。然而，极端盐碱条件下微生物菌剂的 efficacy常常受限，其快速降低土壤盐分和pH的能力有限。腐殖酸能有效改善土壤理化性质，但天然腐殖酸组成和结构的异质性限制了其田间应用的可重复性和可扩展性。人工腐殖酸（artificial humic acid，AHA）作为天然腐殖酸的合成类似物，具有可调性和可规模化生产的优势，保留了羧基和酚羟基等功能基团，可通过选择性离子交换和酸碱缓冲机制降低土壤pH和碱度。然而，AHA本身缺乏生物活性，不能直接调控土壤微生物群落的组装和功能。因此，单一改良措施均存在固有缺陷，AHA与微生物菌剂之间的相互作用及其对盐碱土碳循环的综合影响亟待阐明。

**二、技术方法概述**

本研究采用盆栽试验，供试土壤采自中国黑龙江省大庆市林甸县花园镇盐碱农田（46°56′29″N，124°52′12″E），位于松嫩平原北部。土壤基本理化性质为pH 9.56、有机质8.8 g·kg^?1、全氮0.4 g·kg^?1、全磷0.12 g·kg^?1、全钾6.8 g·kg^?1、碱化度（ESP）62%。AHA通过水热腐殖化法制备，微生物菌剂为包含枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和假单胞菌属等多种有效菌株的多功能复合菌剂（有效活菌数≥2.0×10⁹ CFU·g^?1）。试验设置12个处理组合，采用双因素多水平设计，包括对照组（CK）及不同AHA（0、2.5、3、4.5 g·kg^?1）与微生物菌剂（0、0.04、0.08 g·kg^?1）配比。土壤理化性质采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP）、pH计、电导率仪、重铬酸钾外加热法等测定；土壤微生物群落结构分析由美吉生物有限公司提供。数据采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计。

**三、主要研究结果**

**3.1 不同处理对土壤离子组成和关键盐碱化指标的改善效果**

研究监测了水稻分蘖期、灌浆期和成熟期土壤离子组成及盐碱化关键指标。各处理组Na⁺含量从分蘖期至成熟期持续下降，成熟期降幅显著。A2B1处理组（AHA 3 g·kg^?1 + 菌剂0.04 g·kg^?1）pH值在成熟期降至8.21，较同期对照降低11%，差异显著（p<0.05）；EC值在分蘖期和灌浆期均为最低，达385 μS/cm。Ca²⁺在分蘖期显著高于对照，成熟期显著低于对照。

**3.2 不同处理对土壤生化性质和土壤质量指数的改善效果**

与对照相比，所有处理在成熟期均对土壤性质产生显著影响。A2B1处理组阳离子交换量（CEC）较对照（32.08 cmol·kg^?1）显著增至40.48 cmol·kg^?1，增幅26.2%。脲酶活性在A2B1处理中增强最为显著，过氧化氢酶活性在所有施肥处理中均有增加，蔗糖酶活性变化相对较小。所有处理的土壤质量指数（SQI）均高于对照组，其中A2B1处理组指数最高。

**3.3 不同处理对水稻主要农艺性状的改善效果**

A2B1处理组水稻产量最高（13.32 g/盆），较对照（8.11 g/盆）增产64.2%；茎叶干重和结实率也以A2B1为最高，千粒重在A2B1处理下达到最大值。大多数处理株高在60–65 cm范围内，A1B0、A2B0、A0B1和A2B1处理组植株相对较高。

**3.4 土壤微生物群落结构的响应特征**

α多样性分析表明，A2B1处理显著提高了物种丰富度和均匀度，Chao1和Ace指数显著升高，Shannon指数升高，Simpson指数降低。β多样性分析显示A2B1处理诱导群落整体结构发生明显变化；冗余分析（RDA）进一步表明，这种结构分化主要由总有机碳（TOC）和溶解性有机碳（DOC）等碳源因子驱动，共同解释60.98%的群落变异。在门水平上，处理显著降低了变形菌门和绿弯菌门的相对丰度，促进了放线菌门、拟杆菌门和酸杆菌门等功能性微生物类群的增殖。线性判别分析效应量（LEfSe）鉴定出各处理的特征类群：对照组以耐盐谱系为特征，A2B1组富集具有高有机碳代谢潜力的类群。环境关联分析显示，耐盐类群丰度与土壤pH和ESP显著正相关，而多数功能性微生物类群与土壤养分指标呈正相关。

**3.5 不同处理对土壤碳循环关键过程的影响**

与对照相比，A2B1处理降低了卡尔文循环和还原性乙酰辅酶A途径关键酶的基因丰度，而提高了还原性柠檬酸循环和3-羟基丙酸双循环相关酶的丰度。在碳降解方面，淀粉降解关键酶（β-淀粉酶、葡糖淀粉酶）显著升高，大部分木质素降解酶家族富集，果胶降解酶（多聚半乳糖醛酸酶）强烈上调，而多数纤维素酶和半纤维素酶活性下降。

**3.6 人工腐殖酸与微生物菌剂的交互效应**

双因素方差分析结果显示，AHA施用对土壤pH（F=48.535，p<0.001）、EC（F=12.352，p<0.001）、交换性Na⁺浓度（F=60.733，p<0.001）、CEC（F=25.921，p<0.001）和酶活性有显著影响，主要发挥改善土壤化学性质和离子交换能力的作用。微生物接种同样显著影响多项土壤指标，但对EC（F=2.678，p=0.089）和交换性Mg⁺浓度（F=2.173，p=0.136）的作用相对有限。重要的是，AHA与微生物接种对土壤pH（F=22.400，p<0.001）、EC（F=12.767，p<0.001）、交换性Na⁺浓度（F=8.207，p<0.001）、CEC（F=27.770，p<0.001）等多种性质表现出显著交互效应，证明联合处理的增强效应源于两者的交互调控而非独立加和效应。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，AHA与微生物菌剂联合施用改善土壤理化性质的机制涉及多途径协同：AHA的负电荷表面可吸持K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子，微生物以AHA为底物代谢产生的有机酸和酶可促进矿物风化、养分释放，二者共同驱动CEC的显著提升，增强对Na⁺的置换能力。在微生物群落层面，联合处理通过改善土壤环境促进了功能性微生物类群的增殖，抑制了耐盐类群的竞争优势。在碳循环调控方面，AHA提供的易利用有机碳降低了微生物对自养固碳途径的依赖，而厌氧固碳途径的增强则适应了修复初期可能形成的局部厌氧微环境；碳降解策略的转变优先满足微生物快速定殖的能量需求并促进土壤有机碳的稳定固存。

研究结论为：AHA与微生物菌剂联合施用通过改善土壤理化性质、刺激酶活性、优化微生物群落结构和调控碳循环，实现了盐碱土肥力和水稻生产力的协同提升，为苏打盐碱土的生态修复和可持续利用提供了有效的技术途径和理论基础。该研究发表在《Land Degradation》期刊。