枯草芽孢桿菌改良鹽堿土過程中水鹽運移特征

周蓓蓓，侯亞玲，王全九,2

（1. 西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048；2. 中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊陵 712100）

0　引　言

西北干旱區位于降雨稀少的內陸盆地，其中山區是水資源形成的主要地區，水分在徑流的過程中，與母巖不斷發生溶濾，且伴隨“鹽隨水走，水去鹽留”的現象，導致在地下水的流動過程中，水體不斷鹽化[1-2]，同時影響鹽分分布的另外一個主要因素是灌溉作用，在田間由于蒸發作用導致水分耗失，鹽分積累在表層土壤，導致土壤發生次生鹽堿化[3-4]。土壤鹽堿化及次生鹽堿化是限制農田高效利用和導致農業生產力水平低下的直接影響因素[5]。據最新統計，新疆是中國最大的鹽土區，鹽堿土面積達1 100萬hm2，約占全國鹽堿土面積的1/3和新疆土地面積的 6.6%[6]。改造治理及合理開發利用這些資源是西北干旱半干旱農業可持續發展的重要途徑之一，亦對經濟、社會和生態可持續發展具有重要意義[7]。目前，生物改良鹽堿地主要通過生物途徑使植物充分適應鹽漬環境，從而提高植物在鹽漬土壤上的生產力，因其綠色環保、成本低等顯著優勢，成為近年來國內外鹽漬土改良的新方向[8]。

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）是芽孢桿菌屬的一類分布廣泛的細菌，具有耐熱抗逆性強、對人畜無毒無害、不污染環境、環境兼容性好等優點[9]。枯草芽孢桿菌是種對植物根際有益的微生物，可分泌各種酶、激素類物質、抗菌類物質，從而促進植物根系生長，增強植物抗逆境生長的能力，提高植株生長的能力[10]。于占東等[11]研究表明施用生物菌劑可降低大棚連作土壤全鹽含量，減輕黃瓜枯萎病。李志洪等[12]認為施用微生物菌劑可使土壤中難溶性的磷活化，改善玉米生長所需要的營養條件，促進玉米根系對養分的吸收，提高植株的生長。尹漢文[13]研究報道，枯草芽孢桿菌可明顯提高辣椒和茄子的耐鹽性。康平[14]研究發現枯草芽孢桿菌可以產生各類有機酸和無機酸，降低土壤環境中pH值，這種低分子量有機酸通過羥基、羧基與土壤發生螯合作用，使礦物表面的金屬離子溶出，導致土壤微孔受到破壞而減少，改善土壤結構[15]。其次，這種低分子有機酸通過靜電作用被土壤顆粒吸附，同時還能與土壤中的鐵鋁等多種金屬離子形成絡合物而被土壤所吸附，這種吸附會增加可變電荷土壤表面的負電荷，并減少表面的正電荷量[16]。以上眾多研究均表明，鹽分脅迫下，枯草芽孢桿菌可以促進植物對礦質營養元素的吸收，提高品質和產量；增加植物對水分的吸收和利用能力；誘導植物生理代謝發生變化等。李蘭曉等研究認為芽孢桿菌菌劑可以提高鹽堿地造林成活率，并能促進生長[17]，但是目前大部分工作仍集中枯草芽孢桿菌對作物生長發育、產量、品質等表觀方面，而對于枯草芽孢桿菌如何從根本上改善鹽堿土理化性質以及影響作物生長的水鹽運移的研究較少。

因此，本文將不同含量枯草芽孢桿菌可濕性粉劑與土壤均勻混合，基于一維垂直土柱入滲試驗，比較不同含量枯草芽孢桿菌情況下土壤的入滲特征及水鹽分布特征，分析枯草芽孢桿菌對土壤入滲公式參數的影響，進而明確枯草芽孢桿菌對土壤水鹽運移的影響，以期為微生物改良鹽堿地提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

供試土樣取自新疆維吾爾自治區昌吉市農業生態試驗站田間試驗小區，均為表層 0～20 cm 耕作層的土壤，土質均勻。土壤容重采用環刀法測定，為1.47 g/cm3，將取回土樣置于陰涼處干燥、風干，去除土樣中的枯枝、殘留物，過2 mm篩以留備用。土壤粒徑組成采用英國馬爾文儀器有限公司生產的Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行測定，其黏粒、粉粒、砂粒的體積分數分別為7.13%、60.41%、32.46%，依據國際制土壤質地分類標準，得知該土壤質地為粉壤土。利用DDS-307型電導儀器測得研究區域土壤的含鹽量為0.18%，pH值為8.3，該區域土為鹽堿土。土壤初始體積含水率和土壤飽和體積含水率分別為0.027、0.32 cm3/cm3。

試驗所用的 1 0億活芽孢/克枯草芽孢桿菌可濕性粉劑由保定市科綠豐生化科技有限公司生產。

1.2　試驗設計及方法

土壤入滲試驗裝置由馬氏瓶、有機玻璃制作的土柱試管、支架等組成，其中馬氏瓶高度為 50 cm，內徑為5 cm，土柱試管高50 cm，內徑為5 cm，底部5 cm為反濾層，并設有排氣孔，裝土高度40 cm。將10億活芽孢/克枯草芽孢桿菌可濕性粉劑與過篩后的土樣混合均勻，混合比例分別為0、1、3、5、7 g/kg，并按田間實際容重1.47 g/cm3，將混合后的土樣裝入土柱試管內，每5 cm分層裝入（共8層），層間刮毛，供水系統為馬氏瓶，控制水頭高度為 1 cm，試驗過程中記錄土柱濕潤鋒和馬氏瓶的讀數，馬氏瓶中水位的下降高度即為土壤的累積入滲量。當濕潤鋒運移至距土面27 cm（入滲深度約為整個土柱長度的2/3）時停止供水，并迅速吸干上層積水，分層取樣，取樣深度為0、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27 cm，質量含水率采用烘干法（105±2） ℃測定。將分層取得的樣陰干、研磨、過1 mm篩后保存，室內分析采用5∶1水土質量比浸提電導法，換算得到土壤全鹽含量。研磨后按土水質量比 1:5浸提，利用DDS-307型電導儀測定溶液的電導率，轉化得到土壤含鹽量[18]；其次將分層取得的樣經過干燥、研磨后，稱取4 g置于濕篩分裝置中測量土壤的水穩性團聚體含量[19]， 3次重復。

1.3　入滲模型

該文采用Philip和Green-Ampt入滲公式分析枯草芽孢桿菌對水分入滲特性的影響。

（1）Philip入滲公式

Philip方程[20]具有公式形式簡單，物理意義明確等特點，適用于初始含水量均勻分布的均質土壤的一維垂直入滲問題，其表達公式為

式中，i(t)—土壤入滲速率，cm/min；t—入滲歷時，min；S—吸滲率，cm/min0.5；A—穩定入滲率，cm/min。

累積入滲量[21]表示為

式中，I—土壤入滲速率，cm。

（2）Green-Ampt入滲模型

Green-Ampt入滲模型[21-22]假定在積水入滲過程中，濕潤鋒面以上的土壤處于飽和狀態，且在濕潤鋒面存在1個固定不變的吸力，其表達公式為

式中，KS—土壤表征飽和導水率，cm/min；zf—概化的濕潤鋒深度，cm；hf—濕潤鋒處的吸力，cm；H—土壤表面積水深度，cm。

由于土壤表面積水深度比較小，積水所形成的壓力勢可忽略不計，將（2）式簡化為

由于濕潤鋒面以上土壤處于飽和狀態，根據水量平衡原理，累計入滲量表示為

式中，θs—土壤飽和含水量，cm3/cm3；θi—土壤體積含水量，cm3/cm3。

在Philip入滲模型和Green-Ampt入滲模型中，對于確定的入滲率存在相對應的入滲時間和概化濕潤鋒深度，且確定的入滲時間和相對應的概化濕潤鋒深度，0I與I相等，結合（1）、（2）、（4）與（5）得到

因此，利用式（6）即可根據 Green-Ampt入滲模型的參數來計算Philip入滲模型參數或根據Philip入滲模型的參數來計算Green-Ampt入滲模型參數。

1.4　數據處理與分析

文中試驗數據均取3次重復的平均值，用Excel 2010進行數據處理；SPSS19.0進行方差分析和模型參數擬合。

2　結果與分析

2.1　枯草芽孢桿菌對土壤累積入滲量的影響

受枯草芽孢桿菌的影響，土壤水分累積入滲量和入滲速率隨時間的變化過如圖 1所示。在施加枯草芽孢桿菌后，土壤的累積入滲量均顯著減少，枯草芽孢桿菌質量分數為3 g/kg尤為顯著。在初始入滲時（滲潤階段），土壤較為干燥，入滲水分受分子力作用下滲，且濕潤鋒

面的非飽和度和水勢梯度大，入滲速率大，由于累積入滲量較小，該時期不同含量枯草芽孢桿菌對土壤累積入滲量和入滲速率的影響較小，并無顯著差異（P＞0.05）。隨著入滲的進行，當土壤含水量大于最大分子持水量時，入滲進入滲漏階段[23]，入滲水分受毛管力和重力作用，直至土壤水達到飽和狀態，其中在入滲約300 min后，枯草芽孢桿菌的保水性能顯現，1、3、5、7 g/kg的累積入滲量均小于0 g/kg，不同含量枯草芽孢桿菌處理差異極顯著（P＜0.01），不同處理的入滲速率差異也逐漸變大。這主要由于枯草芽孢桿菌可以在土壤中產生各類有機酸和無機酸[14]，而這種低分子量有機酸通過羥基、羧基與土壤發生作用，螯合作用使礦物表面的金屬離子溶出，導致土壤微孔受到破壞而減少，改善土壤結構，促進土壤形成良好的團粒結構[16]，進而大大改善粉壤土壤的保水能力；同時，枯草芽孢桿菌亦能產生具有良好絮凝性能的絮凝劑γ-聚谷氨酸（γ-PGA）[5]，而γ-PGA可增加土壤的保水性能，具有明顯的減少土壤水分入滲和增強土壤持水的效果[24]。在入滲時間為3600 min時，枯草芽孢桿菌質量分數為1、3、5、7 g/kg的累積入滲量分別比未添加減少了 18.49%、21.85%、12.18%、3.78%。枯草芽孢桿菌質量分數為3 g/kg時，累積入滲量和入滲速率最小，在枯草芽孢桿菌質量分數大于 3 g/kg時，累積入滲量之所以呈現增大的趨勢，可能主要由于枯草芽孢桿菌產生的低分子有機酸，不僅通過靜電作用被土壤顆粒所吸附，還能與土壤中的鐵鉛等多種金屬離子形成絡合物而被土壤吸附，而這種吸附會增加可變電荷土壤表面的負電荷，并減少表面的正電荷量[16]，入滲速率增大。

圖1　不同枯草芽孢桿菌含量對累積入滲量及入滲速率的影響Fig.1　Effect of different contents of Bacillus subtilis on accumulative infiltration and infiltration rate

2.2　枯草芽孢桿菌對土壤濕潤鋒運移的影響

根據實測結果，將枯草芽孢桿菌對濕潤鋒運移的影響繪于圖2。由圖2可知，在入滲初期，不同處理間無顯著性差異，隨著入滲時間的增加，枯草芽孢桿菌對土壤的保水性能得以顯現，各處理之間差異顯著（P＜0.01），當各濕潤鋒運移至土柱底部27 cm時，0、1、3、5、7 g/kg所用時間分別為3 700、7 260、7 700、5 100、4 320 min，運移速率分別為7.84×10–3、4.00×10–3、3.77×10–3、5.69×10–3、6.71×10–3cm/min，呈現先減少后增大的趨勢，與累積入滲量變化趨勢相似，故枯草芽孢桿菌可增加土壤的保水性能，王曉閣研究表明枯草芽孢桿菌能產生具有良好絮凝性能的絮凝劑γ-聚谷氨酸（γ-PGA）[9]；鞠蕾等[25]研究結果表明γ-PGA具有很強的吸水能力，在蒸餾水和生理鹽水中的吸水倍數約為200；當枯草芽孢桿菌施加量大于3 g/kg時，運移速率較1、3 g/kg有所增加，可能是因為土壤表面負電荷增加，土壤孔隙增大導致。因此，當枯草芽孢桿菌的施加量為3 g/kg時，可增加土壤的保水性能，提高土壤水分的利用率。

對濕潤鋒 F（cm）和入滲時間 t（min）兩者進行關系擬合，符合冪函數關系：F=atb，其中a表示初始計時時的濕潤鋒運移距離，b表征濕潤鋒運移的衰減程度[26]。對實測資料的擬合見圖2，其決定系數R2均大于0.99，顯著性檢驗（P＜0.01）。在濕潤鋒與時間變化過程中，隨著枯草芽孢桿菌含量增大，a值先減少后增大，b值先增大后減少。

圖2　不同枯草芽孢桿菌含量對濕潤鋒的影響Fig.2　Effect of different contents of Bacillus subtilis on wetting front

2.3　枯草芽孢桿菌對土壤入滲公式參數的影響

利用Philip和Green-Ampt入滲模型對實測的入滲數據擬合結果如表 1所示，各處理的均方根誤差最大為0.044，幾何平均數最小 0.959，決定系數 R2最小值為0.956，其表明Philip和Green-Ampt入滲模型均可較好地模擬不同枯草芽孢桿菌含量下土壤的入滲規律。在枯草芽孢桿菌施加量相同的情況下，Green-Ampt入滲模型擬合后的均方根誤差均小于Philip入滲模型，幾何平均數和決定系數R2均大于或等于Philip入滲模型。這也正符合了王全九等[22]的研究結果，在入滲時間較長的情況下，Philip入滲模型偏差較大，也證實了Philip入滲模型對所參數的精度及靈敏性較Green-Ampt入滲模型高。

進一步分析表1可以看出，對于Green-Ampt入滲模型，隨著枯草芽孢桿菌含量的增加，土壤飽和導水率 KS先減少后增大，濕潤鋒處的吸力 hf則呈現相反的趨勢，先增大后減少，與對照相比較為顯著（P＜0.05）；對于Philip入滲模型的2個經驗參數S、A均隨枯草芽孢桿菌含量的增加先減少再增加，且均顯著小于0 g/kg（P＜0.05），表明枯草芽孢桿菌對水分入滲的阻滯作用明顯，其中當施加量為3 g/kg時，S及KS均取得最小值。

利用式（6）對比分析施加不同含量枯草芽孢桿菌后，2個入滲模型公式中參數間相互轉化的關系，結果見表2。隨著枯草芽孢桿菌含量的增加，SA和KShf均先減少后增大，且在B3處理時達到最小值，計算值與2個入滲模型擬合規律一致，但擬合值和計算值之間存在偏差，說明在枯草芽孢桿菌的影響下，通過式（6）進行 Philip和Green-Ampt入滲模型間參數互推具有一定的誤差。這是由于枯草芽孢桿菌的施加改變了土壤的結構，致使入滲公式參數發生變化，從而降低了Philip和Green-Ampt入滲模型參數轉化間的精度。

表1　施加不同含量枯草芽孢桿菌條件下Philip和Green-Ampt入滲模型擬合效果分析Table 1　Fitting effect analysis of Philip and Green-Ampt models under different contents of Bacillus subtilis

表2　不同含量枯草芽孢桿菌條件下2個入滲公式參數的擬合值和計算值Table 2　Fitting values and calculated values of two infiltration formula parameters under different contents of Bacillus subtilis

2.4　枯草芽孢桿菌對土壤含水率分布的影響

入滲后，各不同處理取相同深度處土壤測定含水率，結果見圖3。由圖3可看出，枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5和7 g/kg的剖面含水量均大于0 g/kg，在3 g/kg時剖面含水量較大，且差異極為顯著。在 27 cm深度處，施加量為1、3、5和7 g/kg相比0 g/kg的剖面含水量分別增加了 17.65%、31.76%、11.76%、7.06%。這是由于枯草芽孢桿菌在土壤中產生的酸使得礦物表面的金屬離子溶出，部分有機質由于失去礦物質的支撐而溶出，導致其微孔減少，改善土壤結構，增強土壤的保水性能，然而隨著施加量的增大，土壤顆粒表面負電荷增大，孔隙增大，土壤水分便于流失。侯亞玲等[27]的研究結果顯示，枯草芽孢桿菌可增加土壤的持水性能。因此，在施加量為 3 g/kg時，可增強土壤的持水能力，有利于作物根系對水分的吸收。

2.5　枯草芽孢桿菌對土壤含鹽量分布的影響

入滲后，各不同處理取相同深度處土壤測定含鹽量，結果見圖4。由圖4可知，土柱表層含鹽量最低，且含鹽量隨深度增加而增加，不同處理各土層鹽分含量均以0～15 cm最低，在27 cm處最高，土壤鹽分隨著土壤水分運移由上向下遷移，并在濕潤鋒處累積，造成上層脫鹽、下層積鹽的現象。在整個土層中，枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5、7 g/kg均小于0 g/kg的土壤含鹽量，且比0 g/kg的處理分別降低了22.37%、31.29%、17.78%、10.67%，說明枯草芽孢桿菌可降低鹽堿地土壤的鹽分，這可能是由于枯草芽孢桿菌在土壤中分泌的有機物、死亡菌體分解產生的酸可使得礦物表面的金屬離子溶出，部分有機質由于失去礦物質的支撐而溶出，使得鹽堿土壤的有機成分增加，鹽堿度降低。Doran等[28]的研究結果顯示，γ-PGA對酸、堿具有較好的緩沖能力，可有效平衡土壤的酸堿值，避免因長期使用化學肥料造成的土壤酸化和板結。

圖3　不同處理土壤含水量與深度的關系Fig.3　Relationship of soil moisture and soil depth for different treatments

圖4　不同處理土壤含鹽量與深度的關系Fig.4　Relationship of soil salt and soil depth for different treatments

2.6　枯草芽孢桿菌對土壤水穩性團聚體的影響

通常將粒徑大于0.25 mm的團聚體稱為水穩性團聚體[22]。圖 5為不同枯草芽孢桿菌施加量在入滲結束后土壤水穩性團聚體分析圖。由5a圖可知，在整個土層中，枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5、7 g/kg的水穩性團聚體含量均大于0 g/kg，且在15～25 cm時較為顯著，圖5b為在不同處理下整個土層水穩性團聚體含量的平均值，分別為14.57%、16.47%、17.13%、15.98%和15.33%，相比0 g/kg水穩性團聚體增加了13.02%、17.59%、9.68%和5.24%。因此，枯草芽孢桿菌可改善土壤的團粒結構。與本文結果相似，羅歡研究表明，在鹽脅迫下，芽孢桿菌可誘導植物生理代謝發生變化與植物根際其他微生物協同作用，進而改善土壤團粒結構等[29]。

圖5　枯草芽孢桿菌對土壤水穩性團聚體的影響Fig.5　Effect of different contents of Bacillus subtilis on soil water-stable aggregate

3　討　論

利用植物促生菌對鹽堿土壤進行改良是目前國內外劣質土壤改良研究的熱點，尤其是針對枯草芽孢桿菌對土壤物理性質影響的研究甚少，因此，本文擬通過大量土柱試驗，著重研究了不同含量枯草芽孢桿菌對鹽堿土水鹽運移的影響，探求枯草芽孢桿菌對鹽堿土改善的機理，以期待在實際應用中進行廣泛推廣。本文將枯草芽孢桿菌當做物理調理劑來添加分析，而沒有考慮枯草芽孢桿菌是一類微生物，具有很強的繁殖能力，且會隨著時間的變化而發生變化。作者將在后期的研究過程中，將著重分析枯草芽孢桿菌自身的繁殖作用對鹽堿土的改良有何影響，同時考慮枯草芽孢桿菌自身的繁殖作用對作物生長情況下土壤水鹽運移及根系吸水等的影響，保證在實際應用之前，給出具體的標準，以求達到最佳效果，實現環境的友好性。

4　結　論

本文基于一維土柱入滲試驗，測定分析枯草芽孢桿菌對土壤累積入滲量、濕潤鋒運移速率、入滲參數、剖面含水量、剖面含鹽量、水穩性團聚體的影響。主要取得以下研究成果：

1）枯草芽孢桿菌的添加使土壤水分累積入滲量減少。枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5、7 g/kg的累積入滲量和入滲速率均小于0 g/kg，在3 g/kg時累積入滲量和入滲速率最小，且不同處理間差異極顯著（P＜0.01）。

2）枯草芽孢桿菌的添加使土壤濕潤鋒運移速率減少。隨著入滲時間的增加，各處理之間差異顯著（P＜0.01），當各濕潤鋒運移至27 cm時，運移速率分別為7.84×10–3、4.00×10–3、3.77×10–3、5.69×10–3、6.71×10–3cm/min，在施加量為3 g/kg時，土壤濕潤鋒運移速率最小。

3）Green-Ampt和Philip入滲模型均能較好的模擬土壤入滲規律。對于Green-Ampt入滲模型，隨著枯草芽孢桿菌含量的增加，土壤水飽和導水率KS先減少后增大，濕潤鋒處的吸力hf則呈現相反的趨勢，與0 g/kg相比較為顯著（P＜0.05）；對于Philip入滲模型的2個經驗參數S、A均隨枯草芽孢桿菌含量的增加先減少再增加，且均顯著小于0 g/kg，其中當施加量為3 g/kg時，S及KS均取得最小值。

4）枯草芽孢桿菌能增加土壤的保水性能。在27 cm深度處，施加量為1、3、5和7 g/kg相比0 g/kg的剖面含水量分別增加了17.65%、31.76%、11.76%、7.06%。

5）枯草芽孢桿菌的添加使土壤的含鹽量顯著減少。枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5、7 g/kg相比0 g/kg的處理分別降低了22.37%、31.29%、17.78%、10.67%。

6）枯草芽孢桿菌的添加使土壤水穩性團聚體含量增加。在整個土層中，枯草芽孢桿菌施加量為1、3、5、7 g/kg的水穩性團聚體含量相比 0 g/kg水穩性團聚體增加了13.02%、17.59%、9.68%和5.24%。

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