《Environmental Technology & Innovation》：Phosphogypsum combined with yeast metabolites synergistically ameliorates saline-alkali soil and mitigates secondary salinization
磷石膏（Phosphogypsum, PG）与酵母代谢物（Yeast metabolites, Y）联合施用可协同降低盐碱土壤的碱化度（Exchangeable Sodium Percentage, ESP）并缓解次生盐渍化。该复合改良剂显著提升了作物生物量并减轻了盐分引发的氧化胁迫。改良后的根际微生物群落促进了养分循环与植物光合作用。值得注意的是，5%的磷石膏施用量属于探索性剂量，其实际应用仍需田间试验验证。
磷石膏与酵母代谢物协同改良盐碱土壤：机制、效应与展望
一、研究背景与科学问题
盐碱土壤是全球分布最广、治理难度最大的退化土壤类型之一。数据显示，全球盐碱地面积约9亿公顷，其中中国约占3670万公顷。受不合理灌溉、不当耕作方式及气候变化等因素影响，盐碱地面积仍在持续扩大。盐碱土壤具有高盐度、强碱性和易积盐等特点，严重制约农业经济发展和生态可持续性。同时，盐碱胁迫会显著影响土壤微生物群落结构及参与土壤生物地球化学循环的酶活性，导致土壤养分失衡和肥力下降。
现有的修复技术（如淋洗、换土等）普遍存在成本高、耗水量大、环境风险突出、效果不稳定等缺陷。相比之下，原位化学修复因其见效快、易于调控而成为当前研究和应用的热点。目前土壤改良剂主要分为有机型（如生物炭、腐殖酸）和无机型（如石膏、粉煤灰）两大类。
磷石膏是磷化工产业的副产物，主要成分为CaSO?·2H?O，其改良机理在于钙离子可置换土壤中的钠离子，生成的硫酸钠随灌溉水排出，从而降低土壤盐度，同时向土壤补充磷、硫等养分。酵母代谢物是酵母代谢产生的小分子化合物，富含有机酸和活性成分，可增强土壤微生物活性、改善土壤肥力、缓解土壤板结、提高透气性并促进作物生长。
已有研究表明，磷石膏与有机化合物联合施用比单独施用效果更佳。然而，现有研究多集中于磷石膏与生物炭、腐殖酸、蚯蚓粪等固态有机改良剂的组合，这些改良剂主要通过物理改善或缓释机制发挥作用，其相对稳定的结构限制了磷石膏中Ca2?的快速动员和土壤微生物的及时激活。相比之下，酵母代谢物——这一工业酵母发酵产业中未被充分利用的副产物——富含低分子量有机酸、氨基酸、小肽和B族维生素，这些生物活性组分可快速溶解磷石膏中的Ca2?以加速Na?–Ca2?交换，同时提供易利用的碳源和氮源，快速刺激土壤微生物活性。然而，磷石膏与酵母代谢物联合施用对盐碱土壤的改良效果尚未见报道。
基于这一空白，研究人员提出"磷石膏+酵母代谢物"可用于改良盐碱土壤的假说，并设定了以下研究目标：（1）筛选适合A型和B型盐碱土壤的最佳改良剂组合；（2）探究该改良剂对白菜生长的影响；（3）分析其对土壤微生物和根际微生物群落组成与多样性的影响；（4）阐明土壤理化性质、酶活性与微生物群落之间的相互作用关系；（5）揭示复合改良剂的修复机制。
二、主要关键技术方法
研究人员从内蒙古鄂尔多斯（土壤A，重度盐碱）和宁夏吴忠市利通区（土壤B，极重度盐碱）采集0–20cm表层土壤。磷石膏采自湖北宜昌某矿业公司，酵母代谢物购自湖北宜昌安琪酵母公司。实验设置六个处理组，每组三个重复，磷石膏用量为5%（经前期土壤培养实验验证），土壤含水量维持在饱和持水量的60%，培养28天，分别于7天和28天采样。基于培养实验结果，选取土壤A进行盆栽实验，种植白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis），在严格控制的环境条件下（16h光照/8h黑暗，昼夜温度25°C/18°C，光量子通量密度约300 μmol photons m?2 s?1，相对湿度65±5%）监测45天。土壤理化性质测定包括pH、电导率（EC）、碱解氮（AN）、速效钾（AK）、速效磷（AP）、可溶性阳离子、钠吸附比（SAR）、ESP、阳离子交换量（CEC）和有机质（SOM）。植物生长及生理生化指标包括株高、鲜重、干重、根长、发芽率、叶绿素含量、光合速率、光合色素、可溶性糖及植株养分。土壤酶活性（脲酶UE、过氧化氢酶CAT、碱性磷酸酶ALP）和植物抗氧化指标（MDA、SOD、POD）采用试剂盒测定。微生物群落分析采用16S rRNA细菌测序（V3-V4区，Illumina平台）。数据分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验，PLS-SEM结构方程模型使用R 4.5.0软件的plspm包完成。
三、研究结果
3.1 土壤与复合改良剂分析
两种供试土壤的重金属含量均低于农田污染风险管控标准（GB 15618—2018）。磷石膏呈酸性，符合行业标准（HG/T 4219—2011），XRD和FTIR确认其主要成分为CaSO?·2H?O。酵母代谢物呈微酸性，重金属含量低于肥料限量标准，有机质含量高，富含氮、磷、钾等养分及有益微量元素。SEM图像显示其具有多孔表面结构，富含C、N、K元素。FTIR分析表明其含有丰富官能团，3385 cm?1处的吸收峰结合XRD结果证实了表面氨基（-NH?）的存在。
3.2 不同处理对土壤培养实验中土壤理化性质的影响
复合改良剂在改善盐碱土壤理化性质方面显著优于单一处理，其中PY3组效果最佳。与28天时CK处理相比，复合改良剂处理下土壤A的pH从9.06降至7.76，土壤B的pH从8.94降至7.90；两种土壤的ESP分别下降80.59%和41.36%，均恢复到正常土壤范围。其机理主要在于：磷石膏提供的Ca2?与土壤中的CO?2?和HCO??反应生成CaCO?和Ca(HCO?)?；酵母代谢物中富含的黄腐酸、腐殖酸等小分子有机酸在土壤溶液中进一步电离释放H?，中和土壤碱性物质；磷石膏释放的Ca2?与土壤胶体吸附的Na?发生置换反应，降低土壤胶体的钠饱和度。有机酸含有的有机胶体颗粒与磷石膏联用时，可促进土壤中Na?的解吸，从而加速磷石膏中Ca2?的溶解，表现出显著的协同效应。
单独施用磷石膏导致土壤EC升高，这主要归因于CaSO?·2H?O溶解过程中SO?2?的释放。虽然Ca2?有效置换了土壤交换位点上的Na?，但在封闭培养条件下（无排水或淋洗），被置换的Na?并未离开系统，而是与SO?2?结合形成可溶性Na?SO?，从而升高土壤EC。酵母代谢物的添加有效缓解了单独施用磷石膏引起的盐分积累，PY3组电导率较P组分别下降12.08%和12.59%。这可能归因于酵母代谢物的高比表面积及其有机酸组分稳定土壤团聚体的能力。
在土壤养分保持能力方面，PY3组效果最为显著。SOM分别增加113.79%和62.65%，CEC分别上升156.72%和131.25%。这可能归因于酵母代谢物提供的有机碳与磷石膏提供的钙离子结合形成有机-金属复合物（Ca-OC），该物质不仅有利于SOM的积累和保存，还能被微生物更高效地分解利用。与CK处理相比，PY3组中土壤A的AN、AP和AK分别增加4.79、4.96和4.24倍，土壤B分别增加0.91、16.87和1.02倍。
3.3 不同处理对土壤培养实验中土壤酶活性的影响
土壤酶活性是评估土壤健康的重要指标。在两种土壤中，PY3组的脲酶活性较P组显著提高22%–28%，这可能归因于复合改良剂释放的P、K、Fe、Mo等元素有效促进了固氮微生物的生长和发育。酵母代谢物的FTIR分析显示存在N–H伸缩振动（~3300 cm?1）、C=O伸缩振动（~1700 cm?1）和C–N振动（~1200 cm?1），表明其含有含氮有机官能团，这些含氮有机组分可作为土壤微生物的底物，逐渐矿化释放NH??-N，有助于提高土壤速效氮含量。对于碱性磷酸酶活性，PY3组较P组高出30.92%（土壤A）和65.67%（土壤B），这是因为酵母代谢物含有小分子有机酸，其阴离子可通过竞争吸附位点或与磷发生螯合反应来活化土壤磷；同时，改善后的土壤理化条件更适合微生物的生存和代谢，促进了碱性磷酸酶的合成，加速了土壤有机磷向无机磷的转化。
3.4 不同处理对土壤培养实验中细菌群落的影响
土壤A的优势菌门包括变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinomycetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和拟杆菌门（Bacteroidetes），土壤B主要由变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门组成，两种土壤优势菌门总相对丰度均超过85%。与CK组相比，PY3组中厚壁菌门显著富集，在土壤A和B中分别达到1.37倍和1.68倍。这些细菌可分泌胞外多糖促进土壤团聚，并产生抗菌物质增强植物抗病性。PY3组中参与氮循环的拟杆菌门富集与复合施用后速效氮的显著增加密切相关。相反，耐盐碱的放线菌门高丰度通常被视为盐碱胁迫的指示指标，与土壤肥力呈负相关。PY3组中两种土壤的放线菌门相对丰度均显著降低，证明复合改良剂有效缓解了盐碱胁迫。值得注意的是，P组在土壤A中的放线菌门丰度较CK增加了15.83%，表明单独施用磷石膏提供的微生态改善有限，且可能因盐分积累而矛盾地促进了胁迫指示菌的适应性增殖。
在属水平上，PY3组中芽孢杆菌属（Bacillus）的相对丰度显著高于其他组，表明复合改良剂能有效促进这一功能性细菌群落的增殖。芽孢杆菌可通过合成渗透调节物质（如脯氨酸）、分泌抗氧化酶和有机酸、形成生物膜等机制有效增强植物耐盐性并改善盐碱土壤环境。β多样性PCoA分析表明，不同处理措施导致两种土壤细菌群落发生显著差异。α多样性指数（Chao1、Shannon、Simpson）在各处理间无显著差异，表明PY3并未改变整体微生物丰富度，而是显著改变了根际群落组成并特异性富集了有益功能类群。
3.5 环境影响因子及其对土壤培养实验中细菌群落结构的影响
Mantel检验分析显示，两种土壤的pH、AK、AP和AN均与微生物群落高度显著相关（Mantel's p < 0.01），表明这些因子是土壤微生物群落变化的重要原因。RDA结果表明，pH、ESP和SAR是影响对照组B土壤微生物群落的关键环境因子。在未改良的盐碱土壤中，只有那些能够耐受碱性和盐度的特殊微生物种群才能存活，导致群落多样性水平较低、功能特征单一。而在两种土壤的PY3处理组中，CEC、AN、SOM和AK成为影响微生物的关键因子。
PLS-SEM分析表明，改良剂主要通过改变土壤速效养分（AK、AP、AN）来影响微生物群落结构和生物多样性。这可能是因为酵母代谢物提供了碳源和氮源，而磷石膏提供了磷源。虽然样本量（n=24）满足PLS-SEM的"10倍规则"和平方根倒数准则，模型内部诊断指标良好（GOF > 0.36，R2 > 0.5），但适度的样本量仍需谨慎解读，所识别的路径应被视为主要机制的指示而非详尽的因果关系。
3.6 盆栽实验中植物生长和生理生化的变化
基于室内培养实验结果，土壤A被选用于后续盆栽实验。在实验结束时，CK组幼苗存活率为45%，Y处理组为64%，而所有含磷石膏的处理组（PY1–PY3）均保持100%存活率。相比之下，土壤B所有盆栽中的幼苗在移植后45天内全部死亡，证实土壤B的极端盐碱度超过了供试作物的耐受阈值。因此，选择土壤A进行后续盆栽实验。
PY3处理组在收获时产生最高的生物量和最长的根长。由于CK和Y组在盐碱胁迫下生长严重受抑且死亡率高，收获的存活植株生物量不足以满足酶活性测定试剂盒和养分分析的最低样品量要求，因此这两组的叶绿素、光合参数、抗氧化酶活性、MDA含量和养分含量无法可靠测定，转而以幼苗存活率、株高、生物量、表型症状和根际土壤理化性质作为补充证据。
PY3处理组的SPAD值达到54.80，较P处理组（37.50）高出46.13%。同时，光系统II实际光化学量子效率Y(II)显著增加至0.337，约为P组的2.1倍。这些结果表明复合改良剂有效减轻了盐碱胁迫诱导的叶绿体结构损伤，保证了光反应过程中的高效光能捕获。
在盐碱胁迫下，植物通常积累可溶性糖以进行渗透调节。P组表现出异常高的可溶性糖含量（5225.93 μg/g），伴随显著升高的MDA（58.29 nmol/g）和显著增强的POD、SOD活性。这种渗透物积累、膜脂过氧化和抗氧化酶激活的共存表明，P组中升高的可溶性糖反映的是典型的胁迫响应而非正常代谢积累，其驱动因素为单独施用磷石膏导致的次生盐渍化所伴随的渗透和氧化胁迫。相比之下，PY系列处理显著减轻了胁迫损伤。PY3组的可溶性糖仅为P组的39.8%，使更多光合产物分配到生物量生产中。MDA在PY处理中逐渐下降，PY3较P组降低33.0%，同时POD和SOD活性显著降低，表明植物体内氧化还原稳态良好。
在植物养分积累方面，PY3组的总氮和总钾含量达到最大值且显著高于P组。相比之下，所有PY处理中的磷吸收显著低于P组。单独施用磷石膏时，CaSO?·2H?O溶解释放大量Ca2?，易与土壤磷酸盐反应形成难溶的Ca–P沉淀，从而降低有效磷。酵母代谢物中丰富的–COOH和–OH官能团可螯合磷石膏释放的过量Ca2?，缓冲其在土壤溶液中的游离活性，抑制Ca–P沉淀。这一机制得到了PY处理中显著更高的有效磷、更高的植物磷积累和更适中的土壤pH的直接支持。
3.7 盆栽实验中根际土壤理化性质的变化
所有处理均显著改善了根际土壤性质。P组将土壤pH降至7.12，但其EC显著升高至3339 μS/cm。相比之下，PY3组有效缓解了土壤盐分积累，将EC降至2237 μS/cm。同时，PY3组的SOM和CEC均达到最高水平，分别为12.42 g/kg和12.64 cmol?/kg。复合改良剂还显著增加了土壤中AN、AP和AK的含量。值得注意的是，PY处理较P组显著增加了根际有效磷含量，这可能归因于酵母代谢物上的含氧官能团（–COOH、–OH）螯合磷石膏溶解释放的过量Ca2?，从而可能抑制Ca–P沉淀。然而，这一解释在缺乏直接磷形态测定（如连续分级提取、31P NMR或同步辐射技术）的情况下仍属推断性结论。
3.8 盆栽实验中根际土壤细菌群落的变化
Venn图显示所有处理共有的核心OTU为1994个。PY3处理产生了最高的总OTU数（2185）和独有OTU数（191）。基于β多样性的PCoA分析捕获了总结构变异的66.4%。P组表现出显著的空间偏移和较高的组内离散度。相比之下，复合改良剂处理（PY）聚集在独立的空间区域，并沿PCoA1轴正向移动。PY3与CK组之间观察到最大空间距离，表明PY3施用后根际微生物群落发生了深刻重组。
在门水平上，PY3组将变形菌门的相对丰度从CK的0.26显著提高至0.41。变形菌门作为重要的功能微生物门，在介导土壤碳氮循环中发挥核心作用。与有机质分解和土传病害抑制密切相关的厚壁菌门相对丰度从0.04显著增加至0.12。
在属水平上，芽孢杆菌属作为经典的植物促生根际细菌（PGPR），具有溶解磷和钾的能力，其相对丰度从CK组的0.01显著上升至PY3组的0.13。这一富集与先前观察到的植物生物量和有效磷的增强高度一致。此外，诺卡氏菌目（Nocardiales）（0.15）和黄色杆菌属（Luteimonas）（0.13）在PY3组中显著富集，这两种微生物在养分循环和土壤有机质降解中发挥重要作用。
RDA分析解释了群落变异的75.7%。CK组和Y组与pH呈正相关，而P组与EC强相关。相反，PY复合组与pH呈负相关，与肥力因子（SOM、CEC、AN、AP和AK）呈正相关。具体而言，PY3群落与SOM、CEC和AN最为密切相关，表明联合施用通过中和土壤碱性和提供碳/氮养分改变了微生物群落。
3.9 复合改良剂缓解盐碱胁迫的机制
复合改良剂通过调节植物-土壤-微生物协同作用来缓解盐碱胁迫。对植物而言，改善的根际微生物条件减少了盐碱氧化损伤，表现为MDA含量降低和抗氧化酶活性减弱。氧化胁迫的减轻保护了叶绿体结构并稳定了光合功能，大幅增强了光能捕获和利用效率。对根际而言，改良剂中和了土壤碱性并补充了养分，增加了有益微生物（包括变形菌门、厚壁菌门和芽孢杆菌属）的丰度。被激活的微生物功能加速了氮磷循环和有机质分解，为根系生长和养分吸收提供了有利的根际环境。总之，复合改良剂缓解了非生物胁迫、优化了养分供应并增强了光合性能，从而有效促进了盐碱条件下植物生物量的积累。
四、讨论与结论
本研究制备了由磷石膏和酵母代谢物组成的复合改良剂用于盐碱土壤修复。土壤培养和SEM分析表明，联合施用协同降低了土壤pH和ESP，增强了土壤养分和酶活性，并优化了微生物群落结构。这些改善主要由土壤速效养分的增加驱动。盆栽实验证明，该复合体系有效缓解了单独施用磷石膏诱导的次生盐渍化。最优配方PY3显著减轻了植物生理胁迫，增强了光合效率，促进了生物量和养分积累，并富集了包括变形菌门、厚壁菌门和芽孢杆菌属在内的有益根际微生物。
研究人员提出，酵母代谢物的官能团可能螯合过量Ca2?，减少Ca–P沉淀并维持较高的可提取磷库。这一机制得到了酵母代谢物低Ca/Mg含量和跨实验一致性的间接支持。然而，这仍是一个工作假说，未来需采用连续磷分级、31P NMR或同步辐射μ-XRF/XANES等方法来在分子水平上直接确认所提出的Ca2?螯合机制。
通过整合磷石膏和酵母代谢物的互补优势，该复合改良剂克服了单一组分应用的固有局限性，实现了显著的修复效果，为盐碱土壤的可持续管理提供了有前景的策略。同时需要指出，本研究中采用的5%磷石膏施用量属于实验室规模的探索性剂量，适用于受控条件下的两种重度盐碱土壤。实验后分析确认处理土壤中的重金属浓度低于ICP-OES检测限，符合国家土壤质量标准（GB 15618—2018），表明在测试条件下环境风险较低。尽管残留重金属低于检测限，但重复施用磷石膏的长期影响仍需进一步考虑。磷石膏通常含有残留的F?和丰富的硫酸盐，可能在缓冲能力较差的土壤中逐渐积累或诱导轻度酸化。在本研究中的强碱性、富钙土壤中，F?倾向于以CaF?形式固定，适度酸化实际上是可取的，而固有的碳酸盐缓冲进一步限制了过度酸化。然而，酵母代谢物的–COOH和–OH基团虽然有利于Ca–P动态，但原则上也可能通过竞争Ca2?来增强F?的迁移性——这一权衡在此未直接量化。鉴于磷石膏来源间成分的变异性，建议在田间部署前进行来源特异性筛选以及F?、硫酸盐动态和pH演变的长期监测。
需要强调的是，本结论基于短期室内实验和单一重度盐碱土壤（土壤A），且该改良剂对极重度盐碱土壤B的改良效果有限。当前研究结果应被视为磷石膏-酵母代谢物协同效应的概念验证，而非可直接转化的田间解决方案。长期、多地点田间试验，连同剂量优化和针对极重度盐碱条件的预淋洗策略，是必要的后续步骤。
