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(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)生命造成嚴(yán)重?fù)p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(jī)質(zhì)分解、生物地球化學(xué)循環(huán)和植物營(yíng)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(jù)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(jìn)化適應(yīng)的結(jié)果,其類(lèi)群結(jié)構(gòu)、多樣性分布等與環(huán)境因子密切相關(guān),極端環(huán)境造就了獨(dú)特的微生物群落[10],而長(zhǎng)期的脅迫“馴化”使不同環(huán)境本土類(lèi)群具備了特殊的生物學(xué)特性[11],進(jìn)而對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑[12],形成了土壤特性造就微生物類(lèi)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)。
土壤系統(tǒng)的空間復(fù)雜性和生境的異質(zhì)性促進(jìn)了微生物類(lèi)群的生態(tài)位分配,使其呈現(xiàn)極高的多樣性,據(jù)估計(jì)占地球生物多樣性的四分之一[13],每克土壤含有多達(dá)109-1010個(gè)細(xì)胞,其中105-106個(gè)為“獨(dú)特的分類(lèi)群”[14]。土壤微生物多樣性受土壤類(lèi)型、理化性質(zhì)、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(yán)重制約土壤微生物的組成,研究發(fā)現(xiàn)其多樣性隨鹽濃度的增加呈線(xiàn)性下降,高鹽會(huì)致多樣性降低而相對(duì)豐度增加[17],細(xì)菌類(lèi)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(mén)(Gammaproteobacteria)相對(duì)豐度與鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān),β-變形菌門(mén)(Betaproteobacteria)和硬壁菌門(mén)(Firmicutes)則呈顯著正相關(guān),但放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)與鹽和pH均無(wú)相關(guān);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(guān)系密切[18],顯示叢毛單胞菌屬具有更強(qiáng)的耐鹽性。
微生物類(lèi)群對(duì)土壤酸堿度的響應(yīng)不同,細(xì)菌豐度和多樣性及類(lèi)群結(jié)構(gòu)與pH顯著相關(guān),而真菌則受pH和C/N的共同影響[19]。鹽漬土中細(xì)菌多樣性低而古菌比例高,而非鹽漬土中細(xì)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(xì)菌顯示出對(duì)高鹽的偏好性[17];電導(dǎo)率(electrical conductivity,EC)為58-93 dS/m的鹽漬土中古菌占主導(dǎo)地位,而高于或低于此范圍則細(xì)菌占優(yōu)勢(shì);鹽堿土壤中變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)是最豐富的類(lèi)群,非鹽堿土壤中占據(jù)前3位的是變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)和放線(xiàn)菌門(mén),且鹽漬土中門(mén)/類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)高于非鹽堿土,顯示鹽漬土中微生物類(lèi)群變異更大[20]。
土壤微生物通過(guò)固氮或溶磷等為植物提供營(yíng)養(yǎng),對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏生態(tài)系統(tǒng)更加重要。如菌根真菌和固氮細(xì)菌可為草原植物每年提供5%-20%的氮素營(yíng)養(yǎng),在溫帶和北方森林高達(dá)80%,同時(shí)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(rèn)為是重要的氮輸入源[22]。衡量土壤氮有效性的指標(biāo):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(guò)土壤微生物影響Nmin[23]。
土壤微生物類(lèi)群會(huì)改變植物對(duì)開(kāi)花時(shí)間的選擇[24],有益土壤微生物可加速植物開(kāi)花而促進(jìn)繁殖[25-26],以此影響植物對(duì)生境的選擇和適應(yīng)。此外土壤放線(xiàn)菌對(duì)土壤生物緩沖、土壤環(huán)境的生物控制有重要作用[27]。據(jù)估計(jì),地球上大約有20 000種植物完全依賴(lài)微生物共生體來(lái)生長(zhǎng)和生存,表明土壤微生物是地球植物物種豐富度的重要調(diào)節(jié)劑[21]。
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(guò)10 000個(gè)基因組[29],顯示土壤微生物具備巨大的功能潛力。
生物地理分離和土壤母質(zhì)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(jīng)載體運(yùn)輸[31],故地理分離是地域特有微生物類(lèi)群與多樣性的主要驅(qū)動(dòng)因子。以南北極為代表的地理因素對(duì)土壤微生物多樣性的影響最具典型性,盡管極地被認(rèn)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(méi)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(dòng)植物,微生物多樣性無(wú)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(xiàn)出低多樣性”的典型趨勢(shì)[35],從72°S的哈雷特角到84°S的達(dá)爾文冰川的微生物多樣性無(wú)差異[36]。但 Shivaji等[37]報(bào)道,南極Schirmacher綠洲Zub湖附近土壤中細(xì)菌多樣性與大陸架沉積物相似,其原因尚未知。同時(shí)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶和糖基合成酶可能在進(jìn)化過(guò)程中獲取或保留,但這部分相關(guān)基因在熱帶菌株中認(rèn)為被丟失[38],而其類(lèi)群[39-40]與生物學(xué)特性[41-42]及基因表達(dá)[43]也存在巨大差異,表明環(huán)境不僅造就微生物組成,還對(duì)其進(jìn)化產(chǎn)生影響。
鹽堿土壤的理化因子包括鹽的類(lèi)型,如堿性鹽、中性鹽等,以及各種化學(xué)離子,包括SO42-、CO32-、Mg2+、Ca2+等陰陽(yáng)離子。理化因子對(duì)微生物多樣性的影響具有獨(dú)特性,表現(xiàn)為不同土壤類(lèi)型的微生物類(lèi)群不同,及不同微生物類(lèi)群對(duì)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(xì)菌平衡的重要因素[44],其中細(xì)菌比真菌更易受到鹽堿脅迫的影響[45]。研究顯示鹽度對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響強(qiáng)烈[46],但也有報(bào)道認(rèn)為與包括有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)、水分、pH和P等其他因素的相關(guān)性更好[4],而Navarro-Noya等[47]的研究表明鹽堿地古菌群落結(jié)構(gòu)與pH有良好相關(guān)性。Li等[48]認(rèn)為當(dāng)鹽度恒定時(shí),養(yǎng)分是構(gòu)建細(xì)菌群落的關(guān)鍵因素,EC僅起次要作用,但Zhao等[18]認(rèn)為土壤pH與鹽度對(duì)細(xì)菌群落的形成同樣重要。pH也是影響北極土壤微生物獨(dú)特群落形成的主要因素[49];干旱區(qū)土壤細(xì)菌群落構(gòu)建也由pH主導(dǎo)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(diào)節(jié)[51]。Xie等[20]報(bào)道,鹽度、酸堿度和TOC均影響原核生物類(lèi)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(lèi)群,而EC卻只影響地下。對(duì)美洲土壤的研究發(fā)現(xiàn),pH 6.8的細(xì)菌豐度比pH 5.1高60%,pH 5.5土壤的細(xì)菌豐富度比pH 4.1高26%[52]。但也有認(rèn)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(dú)特的微生物類(lèi)群。新疆瑪納斯河流域4種鹽堿類(lèi)型土壤中碳酸鹽型土壤細(xì)菌多樣性和豐度均顯著高于其他3個(gè),變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)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(shì)菌門(mén),硬壁菌門(mén)、變形菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)為碳酸鹽型的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)[54]。Liu等[55]對(duì)我國(guó)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(mén)占比達(dá)57%-95%,擬桿菌門(mén)也比鹽堿土中更豐富,放線(xiàn)菌門(mén)在鹽堿土壤中豐度更高,而厚壁菌門(mén)僅存在于高鹽樣品中。廢棄鹽漬化農(nóng)田復(fù)墾會(huì)顯著影響細(xì)菌多樣性和豐度,對(duì)復(fù)墾10年和15年的鹽漬土研究顯示,經(jīng)長(zhǎng)期馴化和演變,再生土壤的細(xì)菌群落趨于穩(wěn)定[11]。Xie等[20]報(bào)道,鹽漬土壤中古菌和細(xì)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(fù)雜程度較低,但古細(xì)菌比例較高。
土壤陰離子也對(duì)其微生物組成產(chǎn)生影響,鹽漬土壤中細(xì)菌多樣性與Cl-、SO42-、Mg2+、Na+和 Ca2+呈顯著負(fù)相關(guān),而群落結(jié)構(gòu)與SO42-和AP呈高度正相關(guān);變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)與CO32-顯著負(fù)相關(guān),放線(xiàn)菌門(mén)與CO32-和K+顯著負(fù)相關(guān),酸桿菌門(mén)與CO32-和 K+顯著正相關(guān)[11],顯示碳酸鹽型土壤對(duì)細(xì)菌多樣性及類(lèi)群的影響更大。
土壤微生物與植物多樣性密切相關(guān),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(guò)增加生態(tài)系統(tǒng)生物量而調(diào)控土壤性質(zhì)和微生物多樣性。試驗(yàn)證實(shí),植物多樣性的增加通過(guò)養(yǎng)分可及性和土壤理化狀態(tài)的鞏固強(qiáng)烈地影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[57-59],根源有機(jī)質(zhì)輸入是土壤微生物群落特性的主要驅(qū)動(dòng)因素[60-61],植物豐度提高則微生物豐度增加[62-63],細(xì)菌和真菌的生物量及真/細(xì)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(xì)菌[61]。
立地植物類(lèi)型直接影響著土壤微生物的多樣性,如以油松(Pinus tabuliformis)對(duì)黃土高原天然草地進(jìn)行造林改造后,土壤優(yōu)勢(shì)菌群由變形菌門(mén)向放線(xiàn)菌門(mén)轉(zhuǎn)變,而優(yōu)勢(shì)真菌類(lèi)群由子囊菌門(mén)(Ascomycota)向擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)轉(zhuǎn)變;認(rèn)為是草地造林后土壤氮的減少導(dǎo)致了微生物群落結(jié)構(gòu)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(guān)細(xì)菌多樣性低于白花丹科(Plumbaginaceae)的大葉補(bǔ)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(xì)菌群落組成與大葉補(bǔ)血草和黑果枸杞差異巨大[48],顯示植物類(lèi)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(gè)生態(tài)共同體。釋放到土壤的根分泌物的數(shù)量和質(zhì)量取決于植物的種類(lèi)與功能[64]、年齡[65]和土壤條件[66]等,反過(guò)來(lái)土壤微生物也可影響根分泌物的數(shù)量和組成[67],顯示其相互作用的機(jī)制尚未被揭示。但也有研究認(rèn)為植物多樣性與土壤微生物間沒(méi)有直接聯(lián)系[68],土壤細(xì)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(duì)土壤細(xì)菌多樣性的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于植物多樣性[69]。此外,一些科學(xué)家[70-71]認(rèn)為植物多樣性與微生物群落和功能間的關(guān)系是混合的,原因是二者均會(huì)受多種非生物和生物因子的影響[64,72]。
生物改良是鹽堿土壤利用的研究熱點(diǎn),目前采用的技術(shù)包括增加土壤有機(jī)質(zhì)和施加微生物肥料以改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等。
生物炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或微氧條件下低溫?zé)徂D(zhuǎn)化的產(chǎn)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(dòng)的功能而備受關(guān)注。研究認(rèn)為早在數(shù)百年前亞馬遜印第安人就會(huì)將生物炭和有機(jī)質(zhì)摻入土壤,創(chuàng)造出肥沃的黑土[73],據(jù)此研究者采用多種措施增加生物炭以對(duì)鹽堿土壤進(jìn)行改造,如對(duì)蘇打型鹽堿地添加玉米秸稈生物炭可顯著減少鹽和堿對(duì)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(zhǎng)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(fù),證實(shí)其可增強(qiáng)微生物活性和改善土壤營(yíng)養(yǎng)可利用性,土壤有機(jī)質(zhì)提高42. 64%,并分別使土壤蔗糖酶、脲酶及過(guò)氧化氫酶活性提高2.39、1.18和1.50倍。生物炭還可增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性并導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)改變[77],還對(duì)土壤微生物具有“啟動(dòng)效應(yīng)”,提高或降低土壤原生有機(jī)碳的分解速率[78],從而促進(jìn)土壤改良。
微生物肥料是依據(jù)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(guò)微生物的生命活動(dòng)增加植物營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)或提供包括植物激素等調(diào)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(zhì)和光合色素合成而促進(jìn)植株生長(zhǎng)和生物量的增加[81],具有ACC -脫氨酶活性的微生物可誘導(dǎo)植物對(duì)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(shí)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(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶活性分別增長(zhǎng)109.6%、17.8%和50%,丙二醛含量減少39.8%,顯示該菌株對(duì)鹽堿土壤具有顯著改良作用并可促進(jìn)立地植物的生長(zhǎng)[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(chǎn)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(zhǎng)[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(guò)促進(jìn)養(yǎng)分吸收、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及減少真菌多樣性而促進(jìn)湖北海棠(Malus hupehensis Rehd.)的生長(zhǎng)[88]。但目前這類(lèi)研究尚處于探索階段,盡管已取得一定進(jìn)展,但鑒于鹽堿土壤成分的復(fù)雜性和微生物菌株適應(yīng)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(qiáng)對(duì)不同鹽堿土壤本土微生物特性與代謝特性的研究,是其應(yīng)用于土壤改良的基礎(chǔ)。
鹽堿土壤改良必然會(huì)對(duì)其微生物多樣性產(chǎn)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(shí)間內(nèi)顯著改變其類(lèi)群[89];土壤有機(jī)質(zhì)的增加會(huì)明顯改變微生物類(lèi)群與豐度,如Jiang等[90]分析了4種不同施肥制度對(duì)濱海鹽漬土微生物的影響發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)輸入可使土壤細(xì)菌豐度增加3倍,但同時(shí)導(dǎo)致細(xì)菌多樣性降低,其中受影響最為顯著的是變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)。隨鹽堿土壤的改良,其鹽度和pH必然相應(yīng)下降,故此其微生物類(lèi)群亦相應(yīng)改變[18,46],而伴隨復(fù)墾等改良措施的實(shí)施,微生物類(lèi)群與結(jié)構(gòu)也會(huì)顯著改變[11]。無(wú)論是生物的或是非生物的改良,均會(huì)導(dǎo)致微生物間的相互關(guān)系向良性發(fā)展,而什么樣的類(lèi)群能夠代表土壤健康,須根據(jù)不同地域和鹽堿土壤的理化性質(zhì)分別對(duì)待,尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可供參考。
土壤微生物是鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)重要的調(diào)控者,其群落組成的變化先于土壤可檢測(cè)理化性質(zhì),故成為環(huán)境脅迫或生態(tài)演化的早期預(yù)警指標(biāo)[91]。鹽堿土壤微生物類(lèi)群與結(jié)構(gòu)首先受土壤性質(zhì)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(guò)程特別是產(chǎn)物的積累會(huì)改變微環(huán)境,從而進(jìn)一步改變微生物類(lèi)群,在此進(jìn)程中土壤有機(jī)質(zhì)具有決定作用,此亦是鹽堿土壤改良的物質(zhì)基礎(chǔ)。盡管對(duì)鹽堿土壤微生物多樣性的影響因子報(bào)道較多,而將微生物應(yīng)用于鹽堿地的改良嘗試也才剛剛起步,對(duì)哪些微生物可用于改良哪種類(lèi)型的鹽堿土還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。全面了解鹽堿土壤微生物多樣性和群落組成及其生存機(jī)制是將其應(yīng)用于土壤改良的第一步,獲得純培養(yǎng)菌株并對(duì)其生物學(xué)特性及代謝生理進(jìn)行深入研究是了解其應(yīng)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(yán)重限制了其資源的開(kāi)發(fā)利用。盡管有科學(xué)家提出可以人為設(shè)計(jì)微生物群落來(lái)優(yōu)化預(yù)期功能[92],但仍需首先了解常見(jiàn)和罕見(jiàn)微生物在不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中的功能[93]。隨著生物學(xué)技術(shù)與方法的創(chuàng)新和進(jìn)步,鹽堿地微生物研究越來(lái)越受到全世界科學(xué)家的重視,以宏基因組學(xué)及宏代謝組學(xué)等為代表的現(xiàn)代“組學(xué)”技術(shù)為開(kāi)發(fā)和利用未培養(yǎng)微生物資源提供了可能,而與相應(yīng)的有機(jī)質(zhì)輸入相關(guān)的微生物類(lèi)群與功能解析必將為其應(yīng)用于鹽堿土改良提供更多理論與技術(shù)支持,其中“本土”微生物以其因長(zhǎng)期“馴化”所獲得的特殊適應(yīng)性成為鹽堿土壤生物改良的首選。