微生物改良基質對新圍墾海涂鹽土改良的初步研究

尚 輝，顏 安，韓 瑞，姚宇闐，常義軍，楊花蕾，陳立華，孟天竹

微生物改良基質對新圍墾海涂鹽土改良的初步研究

尚 輝1，顏 安2，韓 瑞3，姚宇闐4，常義軍5，楊花蕾3，陳立華3※，孟天竹3

（1. 江蘇沿海開發（東臺）有限公司，東臺 224200；2.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；3. 河海大學農業科學與工程學院，南京 210098；4. 江蘇省沿海開發集團有限公司，南京 210013；5. 南京軍輝生物科技有限公司，南京 211155）

海涂圍墾區是陸海過渡帶，圍墾區土壤的傳統洗鹽和培肥技術易威脅近海生態環境，因此，探索新型、生態的鹽土改良技術十分重要。該研究初步研究了新型微生物改良基質的鹽土改良功能，結果表明微生物改良基質效果顯著。相較于對照處理，微生物改良基質處理水稻產量增加了83.2%（<0.05）；土壤飽和含水率、田間持水量、總孔隙度、有機質、全氮、速效鉀分別增加了13.80%、20.00%、6.80%、2.30倍、53.00%、31.00%（<0.05）；土壤容重降低了6.90%；土壤細菌、真菌和放線菌數量分別增加了10.30、11.20和3.18倍；水稻生育期累積灌溉水量減少了35.20%；0～10和>10～20 cm土層可溶性鹽質量分數分別降低了61.10%和54.40%。微生物改良基質能夠在短期內加速鹽分洗脫，提升土壤質量，是海涂新圍墾區鹽土改良的生態高效措施。

土壤；鹽分；水分；海涂新圍墾區；微生物改良基質；土壤改良

0 引 言

中國海岸線長，海涂資源十分豐富，部分岸線段為淤漲型海涂，持續增長的海涂是巨大的具有耕地價值的土地資源[1]。江蘇鹽城弶港鎮位于長江和淮河入海口的南北交界處，由于南北潮在此交匯造成大量泥沙沉降，形成大量的海涂土地。該處土壤為氯化鈉鹽土，可溶性鹽含量高、有機質和氮磷等養分含量低、結構差、土壤生物量少、地表植被匱乏，海涂生態功能較差[2]，因此，提升海涂土壤質量對于提升海涂生產力、構建其生態功能十分必要。

江蘇條子泥墾區為2012年圍墾完成，墾區內土壤可溶性鹽含量高是作物生長的主要障礙因子。降低土壤鹽分主要依靠水的運輸作用，因此，灌水洗鹽是最有效的海涂新圍墾區土壤脫鹽途徑。但由于條子泥墾區土壤屬于粉砂質潮鹽土，土壤結構差，導水能力弱，土壤鹽分洗脫困難；同時該地區蒸發量大，土壤極易返鹽，需持續依靠淡水壓鹽。土壤結構和導水能力直接影響垂向鹽分淋洗作用和淺層土壤鹽分浸出效率。因此，改善土壤結構、提升土壤洗鹽效率、抑制土壤返鹽是改良海涂新圍墾區土壤的關鍵，在灌水壓鹽的同時改善土壤結構有利于節約灌溉洗鹽的水資源，同時減少農業面源污染物過量排放風險[3-4]。施用有機物料可以改良土壤結構，增強土壤導水能力，加速土壤鹽分洗脫效率[5]。此外，微生物是土壤能量循環的重要參與者[6-7]，微生物生長繁殖過程中會分解大顆粒有機物、合成新的有機物、產氣、合成酸性或者堿性物質改變土壤pH值，有利于土壤團聚體發育、土壤孔隙形成，改善土壤導水能力等[8-9]。

傳統的不考慮水資源成本和污染物排放的海涂圍墾鹽土改良和脫鹽措施，威脅近海水環境安全，開發新型節水、生態的土壤改良產品和技術是鹽土改良的發展趨勢。江蘇海涂新圍條子泥墾區域地下水埋深0.8～1.2 m，地表水和地下水交換頻繁，是一個與常規土地不一樣的、復雜的生態系統，現階段還沒有研究報道針對該類型生境土壤、基于微生物功能的土壤結構改良和土壤脫鹽的生態工程產品和措施。本文基于功能微生物研制的微生物改良基質的應用，探索其對海涂新圍墾區土壤結構改良、鹽分運移及促進植物生長的效果，以期為海涂新圍墾區鹽土生態改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 微生物改良基質制備

微生物改良基質生產原料為金針菇菇渣、膨潤土渣、醋糟渣、腐殖酸按照質量比6:2:1:1混合均勻，按照質量的1%比例向混合物中接種解淀粉芽孢桿菌IAE（IAE）（中國典型培養物保藏中心保藏號CCTCC No.M2013086）菌劑（含菌量7.2×1010cfu/g），徹底混勻，每5 d翻堆一次，發酵22 d后形成的微生物改良基質屬性見表1。未接種解淀粉芽孢桿菌IAE的混合物，采取與微生物改良基質相同的發酵措施形成的基質定義為改良基質。

表1 原料及其生產的基質的理化性質

注：*為干基；**為濕基；ND為未檢測出。

Note:*is dry substrate;**is wet substrate; ND represents not detected.

1.2 田間試驗設計

試驗區位于江蘇省鹽城市東臺市條子泥灘涂圍墾區（32°47′23′′N，120°550′150′′ E），屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區，季風顯著，年平均風速3.3 m/s，相對濕度80%，平均氣溫14.6 ℃。該區年均降雨量1 061.2 mm，年均蒸發量882.8 mm，年均蒸發量約占降雨量的83.2%。該區域2012年完成圍墾，2017年完成土地平整和農田水利工程設施配套建設，2018年首次進行海涂鹽土的大面積改良示范工程。試驗區內土壤初始理化性質為：可溶性鹽質量分數3.57～10.66 g/kg（土壤可溶性鹽質量分數不均一），有機質平均質量分數2.28 g/kg，全氮平均質量分數114 g/kg，速效鉀平均質量分數174 g/kg，容重1.45～1.65 g/cm3，土壤田間持水量平均值為22.0%。試驗設置3個處理分別為：對照處理，采用節水灌溉措施和傳統水稻種植措施；改良基質處理，土壤施用改良基質為30 t/hm2，灌溉措施和水稻種植措施同對照處理；微生物改良基質處理，土壤施用微生物改良基質為30 t/hm2，灌溉措施和水稻種植措施同對照處理。每個處理設置3個重復，每個重復小區面積3 000 m2。2018年6月25日開展試驗，水稻品種選用“南梗9108”，采用水稻直播的種植方法，用種量150 kg/hm2。水稻生育期灌溉措施如表2所示，每天下午5:00測定田面水含鹽量，當含鹽量達到排水上限實施排水，在田面無自流水排出時進行灌溉。2018年11月16日收獲水稻，測定水稻生物學性狀，水稻秸稈返田后采集土壤樣品，測定土壤物理、化學和生物學指標。

2018年水稻收獲后各處理采取相同措施種植黑麥草，2019年6月黑麥草翻耕還田。2019年6月20日，各處理均施用有機肥7.5 t/hm2，尿素375 kg/hm2，復合肥（氮N、磷P2O5、鉀K2O的質量分數各為15%）375 kg/hm2，采用直播方式種植水稻。試驗所在地條子泥墾區于2019年大面積種植水稻，各處理采用統一的灌溉和管理措施。2019年11月20日收獲水稻，統計水稻產量（鮮質量）并采集0～20 cm土壤樣品，測定土壤含鹽量和有機質含量。

表2　水稻各生育階段灌排指標

1.3 試驗測定的指標

土壤理化性質測定參照《土壤農化分析》[10]，采用環刀法測定土壤容重和孔隙度，電導法測定土壤可溶性鹽含量，重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機質含量，凱氏定氮法測定全氮含量，乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

土壤可培養微生物數量采用稀釋涂布法測定，細菌選用牛肉膏蛋白胨培養基，稀釋濃度為10-4、10-5、10-6，在37 ℃條件下倒置培養48 h后計數。真菌選用馬丁氏-孟加拉紅培養基（加入1%的鏈霉素溶液抑制細菌生長），稀釋濃度為10-1、10-2、10-3，封口膜封口后在28 ℃條件下倒置培養3～4 d后計數。放線菌選用改良高氏一號培養基，稀釋濃度為10-2、10-3、10-4，封口膜封口后在28 ℃下倒置培養5～7 d后計數。

1.4 數據分析

試驗數據用SPSS 20.0統計軟件進行方差分析，差異顯著性比較采用Duncan′s 測驗與獨立樣本檢驗，繪圖使用Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 2018年水稻收獲時生物學性狀

水稻收獲時測定水稻的株高、穗粒數、千粒質量、有效穗數和產量（表3）。改良基質處理和微生物改良基質處理水稻株高顯著高于對照處理（<0.05），分別增加了22.30%和31.40%，微生物改良基質處理水稻穗粒數、千粒質量、有效穗數和產量顯著高于對照處理（<0.05），分別增加了30.30%、29.70%、17.50%和83.20%。

2.2 2018年水稻生育期內不同處理灌水量

水稻生育期內累計灌溉水量如圖1所示，改良基質和微生物改良基質處理灌水量顯著低于對照處理（<0.05），相較于對照處理，改良基質和微生物改良基質處理灌水量分別降低了25.60%和35.20%。相較于改良基質處理，微生物改良基質處理的灌水量顯著降低了12.90%（<0.05）。

表3 2018年水稻收獲后不同處理水稻的生物學性狀

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different lowercase letters represent significant difference (<0.05) among different treatments. Same as below.

圖1 2018年水稻生育期內累積灌溉水量

2.3 2018年水稻收獲后土壤物理性質變化

水稻收獲后測定的土壤物理性質如表4所示。與對照處理相比，改良基質處理和微生物改良基質處理土壤容重降低，其中微生物改良基質處理土壤容重與對照處理間差異顯著（<0.05），降低了6.90%。相較于對照處理，改良基質處理土壤飽和含水量、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤田間持水量增幅分別為4.50%、7.04%、3.06%和9.09%，微生物改良基質處理對應參數增幅分別為13.80%、6.80%、9.79%和20.00%，且微生物改良基質處理顯著高于改良基質處理（<0.05）。

表4 2018年水稻收獲后不同處理土壤物理性質

2.4 2018年水稻收獲后土壤化學性質變化

相較于對照處理，改良基質處理與微生物改良基質處理土壤有機質和總氮質量分數均顯著增加（<0.05），有機質含量分別增加了1.72和2.30倍（表5），總氮分別增加了28.90%和53.00%。微生物改良基質處理土壤速效鉀含量顯著高于改良基質處理和對照處理（<0.05），相較于對照處理增加了31.00%（表5）。

2.5 2018年水稻收獲后不同處理土層可溶性鹽變化

不同處理不同土層深度土壤可溶性鹽質量分數變化如圖2所示。對照處理、改良基質處理和微生物改良基質處理土壤可溶性鹽質量分數變化趨勢相同，均隨著土層深度的增加而增加。0～20 cm土層，微生物改良基質處理土壤可溶性鹽質量分數在3.00 g/kg以下，顯著低于改良基質處理和對照處理（<0.05）；相較于對照處理，微生物改良基質處理0～10和>10～20 cm土層可溶性鹽質量分數分別降低了61.10%和54.40%。0～20、>20～40、>40～60 cm土層，改良基質處理和微生物改良基質處理土壤可溶性鹽質量分數基本在5.00 g/kg以下，顯著低于對照處理（<0.05），可溶性鹽質量分數由低到高的處理順序依次為微生物改良基質處理、改良基質處理、對照處理。>60～80 cm土層，改良基質處理和微生物改良基質處理土壤可溶性鹽質量分數迅速增加至9.00 g/kg以上，>80～100 cm土層，3個處理間可溶性鹽質量分數均在12.00 g/kg左右，處理間差異不顯著（>0.05）。

表5 2018年水稻收獲后不同處理土壤化學性質

圖2 2018年水稻收獲后不同處理不同土層深度土壤可溶性含量

2.6 2018年水稻收獲后不同處理土壤可培養微生物數量變化

相較于對照處理，改良基質處理和微生物改良基質處理均顯著增加了土壤中可培養細菌、真菌和放線菌的數量（<0.05）（圖3），且微生物改良基質處理可培養細菌、真菌和放線菌數量顯著高于改良基質處理（<0.05）。相較于對照處理，改良基質處理和微生物改良基質處理中可培養細菌數量分別增加了2.11和10.3倍，可培養真菌數量分別增加了4.08和11.2倍，可培養放線菌數量分別增加了1.20和3.18倍。

圖3 2018年水稻收獲后不同處理土壤可培養微生物數量

2.7 2019年水稻產量和收獲后土壤化學性狀

2019年水稻種植結束后，改良基質處理和微生物改良基質處理中水稻產量顯著高于對照處理（<0.05），分別增加了47.10%和95.10%（表6）。相對于對照處理，改良基質處理和微生物改良基質處理土壤有機質質量分數顯著增加了92.60%和1.24倍（<0.05）（表6）；改良基質處理和微生物改良基質處理土壤可溶性鹽質量分數均有所降低，其中微生物改良基質處理可溶性鹽質量分數顯著低于對照處理（<0.05）（表6）。

表6 2019年水稻收獲后不同處理水稻產量和土壤化學性質

3 討 論

江蘇海涂條子泥墾區土壤導水性差、蒸發量大、可溶性鹽含量高，無法定植作物。本試驗結果表明，施用微生物改良基質能夠短期內改善土壤結構，增強土壤導水性，降低表層土壤鹽含量，提高土壤肥力，抑制土壤反鹽，對海涂鹽土有較好的改良效果。

海涂圍墾區土壤來源于海洋沉積物，土壤結構差、含鹽量高、植物營養元素含量低，限制作物定植。試驗中使用的微生物改良基質有效改善了土壤物理、化學和生物學性質，加速土壤鹽分洗脫，促進水稻生長。水稻常規灌水量為1.9～4.2 mm/d[11]，本試驗中水稻生育期累積灌溉水量是常規灌溉水量的2～7倍，這是由于試驗所在區域土壤鹽分持續浸出，水體鹽分達到一定的閾值，需要全部排出重新補充淡水，灌溉水兼顧作物需水和降鹽功能。施用基質（改良基質和微生物改良基質，下同）促進了作物生長，植被覆蓋率高，有效降低土壤蒸發量[12]，同時有利于土壤脫鹽、抑制返鹽，因此，基質處理灌溉水量顯著減少。

施用基質有效改善土壤理化性狀，且微生物改良基質改良效果更好。土壤結構是土壤質量的重要因子[13-15]，提高土壤有機質含量有利于團聚體形成，增加土壤孔隙度，降低土壤容重[16-17]。試驗區土壤養分貧瘠，大量施入基質后土壤有機質含量顯著增加。微生物改良基質中功能微生物為解淀粉芽孢桿菌IAE菌株，該菌株胞外代謝物-聚谷氨酸能夠促進土壤水穩定性團聚體形成，增加土壤大團聚含量[18-21]。微生物在分解有機質的生命活動過程中產熱、產氣、產酸[22]，也利于疏松土壤。

施用基質提高了土壤肥力和加速鹽分洗脫，且微生物基質表現更好。除了伴隨基質施入的有機質和氮磷鉀元素外，基質處理均減少了灌溉量和換水量，可能是植物營養元素流失減少的重要因素。值得注意的是，改良基質處理的鉀元素含量與對照處理含量差別不顯著，這可能是鉀元素在土壤中的游離性強，水稻生育期內持續排水過程導致改良基質和對照處理的鉀元素流失。微生物能夠加速植物根系分泌物的合成[23]，對氮、磷、鉀等元素有較強的固持作用[24]，同時，微生物改良基質處理灌溉量顯著低于改良基質處理，因此，微生物改良基質處理土壤有機質、總氮和速效鉀含量顯著高于改良基質和對照處理。基質處理顯著降低0～20、20～40、40～60 cm土壤可溶性鹽含量，通過灌溉過程將可溶性鹽淋洗到更深層的60～80和80～100 cm土壤。微生物改良基質中大量微生物可以活化土壤中鈣、鎂離子置換吸附的鈉離子[25-26]，功能微生物解淀粉芽孢桿菌IAE菌株的促生作用促進水稻根系發展，這都有利于表層土壤可溶性鹽向深層運移。

土壤微生物是土壤能量循環主要參與者，對土壤功能至關重要，微生物特征直接反應土壤質量[27-28]。基質向土壤中補充了大量有機質，為細菌、真菌和放線菌提供能量物質，可培養微生物數量均顯著增加。灘涂鹽土為貧營養環境，一般情況下，土著微生物利用營養物質能力高于富營養環境。特定生境引進大量外源微生物，能夠加速生境能量循環，促進生境系統內微生物繁殖[29]，解淀粉芽孢桿菌快速將大分子有機物質降解為小分子物質，為土著微生物提供能量，促進其快速繁殖增長。微生物改良基質在提升新圍墾區鹽土土壤微生物活性方面具有較高功效。

本研究結果表明，微生物源改良基質短期（1 a）內在土壤結構改良、土壤質量提升、作物產量提高、淡水灌溉量降低等方面的初步探索上表現出較大的優勢。與室內模擬鹽土改良設定少數因子不同，海涂圍墾區鹽土環境復雜，土壤脫鹽過程受到降水強度和頻率、氣溫、地下水含鹽量和埋深、土壤蒸發、植物蒸騰、日照強度、灌溉水含鹽量、大氣含水量和流動強度等諸多因素影響。雖然該類試驗無法在相同外界條件下重復，但是第2年種植水稻收獲后結果表明，微生物改良基質處理中土壤結構和質量仍體現出顯著優勢，且水稻增產顯著，微生物基質對土壤的改良時效并不局限于施用后的當茬作物，能夠通過改良土壤結構和化學生物性狀，在較長時間內保持穩定地改良效果。海涂圍墾鹽土改良和質量提升是一個長期的過程，微生物改良基質對于海涂圍墾鹽土長期改良效果仍需進一步跟蹤研究。

4 結 論

本試驗初步探索了微生物改良基質短期內能夠顯著改善土壤物理、化學和生物學性質，加速了土壤鹽分洗脫速率。相較于對照處理，微生物改良基質（使用量30 t/hm2）處理的田間灌溉水量降低了35.20%，土壤容重降低了6.90%，土壤田間持水量和總孔隙度分別增加了20.00%和6.80%，土壤有機質、全氮、速效鉀質量分數分別增加了2.30倍、53.00%和31.00%，0～20 cm土層可溶性鹽含量降低了61.10%，水稻產量增加了83.20%。改良濱海墾區鹽土是一個長期過程，未來需長期跟蹤研究微生物改良基質對海涂鹽土結構、肥力和微生物性狀的改良效果，為開發高效的濱海墾區鹽土生態改良基質提供理論支撐。

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Preliminary study on the effect of microbial amendment on saline soils in a coastal reclaimed area

Shang Hui1, Yan An2, Han Rui3, Yao Yutian4, Chang Yijun5, Yang Hualei3, Chen Lihua3※, Meng Tianzhu3

(1.().,.,224200,; 2.,,830052,; 3.,,210098,; 4..,.,210013,; 5..,.,211155,)

In a land-sea transitional zone, various technologies are used to reduce the accumulation of water-soluble salts for the efficient utilization of saline soils in coastal reclaimed areas. In the conventional processes of salt-washing and fertilizing, the emission of the agricultural non-point pollutants has posed a threat to the offshore ecological environment. Therefore, it is necessary to explore new environmentally friendly methods for the improvement of soils quality. In microbial amendments, soils was fermented by addingIAE (7.2×1010cfu/g) in the matrix at percentage of 1% (w:w), while the substrate was prepared in the combination ofresidues, scoria of bentonite, vinegar production residues and humus acid, at the ratio of 6:2:1:1 (w:w). The matrix that fermented without the inoculation ofIAE, generally named as soil amendment. To investigate the effect of the soil amendment and microbial soil amendment on coastal reclaimed saline soils, three treatments were set in this study: 1) control, soil without any treatment; 2) Soil Amendment Treatment (SAT), soil added with soil amendment at 30 t·hm2; 3) Microbial Soil Amendment Treatment (MSAT), soil added with microbial soil amendment at 30 t·hm2. The pilot field was located at Tiaozini coastal reclamation area in Dongtai, Jiangsu Province, China. The contents of soluble salt in soils were ranged from 3.57 to 10.66 g/kg. Water saving irrigation and traditional rice planting methods were also selected in three treatments. The quantified data have been recorded including the irrigation quantity, biological characteristics of rice, physical and chemical features and microbial properties of the soils. The results showed that both SAT and MSAT improved paddy soil properties, and MSAT did better than that. Compared to those in the control treatment, the accumulative irrigation quantity in MSAT decreased by 35.2% (<0.05), while the plant height, number of grains per ear, thousand grains weight, effective ear yield, and rice yield in the MSAT treatment increased by 31.4%, 30.3%, 29.7%, 17.5%, and 83.2%, respectively. The contents of saturation moisture, water holding capacity, total porosity, capillary porosity, organic matter content, total nitrogen content, and content of available potassium in soils in MSAT increased by 13.8%, 20.0%, 6.80%, 9.79%, 2.30 times, 53.0%, 31.0%, respectively, compared to those in the control treatment. Populations of the soil microorganisms of bacteria, fungi and actinomyces in MSAT increased by 10.3, 11.2 and 3.18 times, respectively (<0.05). Meanwhile, the bulk density of soils in MSAT decreased by 6.90% (<0.05), compared to that in the control treatment. The contents of soluble salts in the soil depth of 0-60 cm in MSAT were significantly lower than those in control treatment, and those in tillage layer of 0-10cm and 10-20cm decreased by 61.1% and 54.4%, respectively. This finding demonstrates that microbial amendment can contribute to physical structure and microbial properties of soils, thereby to increase in the water conductivity while decrease in salt content in soils. This study can also provide a promising and feasible method to improve the quality of saline soils in coastal reclaimed zone.

soil; salt; moisture; coastal new reclaimed soil; microbial soil amendment; soil improvement

尚輝，顏安，韓瑞，等. 微生物改良基質對新圍墾海涂鹽土改良的初步研究[J]. 農業工程學報，2020，36(8)：120-125.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.015 http://www.tcsae.org

Shang Hui, Yan An, Han Rui, et al. Preliminary study on the effect of microbial amendment on saline soils in a coastal reclaimed area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 120-125. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.015 http://www.tcsae.org

2019-11-18

2020-04-16

江蘇省重點研發項目（BE2018736）；國家自然科學基金項目（41701304）；中央高校基本科研業務（2018B49114）；南京市科技計劃項目（201805047）；自治區區域協同創新專項（2019E0245）

尚輝，助理研究員，主要從事沿海新圍鹽堿地旱改耕作技術研究。Email：kuzi86@163.com

陳立華，博士，副教授，主要研究方向為海岸帶生態建設。Email：chenlihua@hhu.edu.cn。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.015

S156.4+2

A

1002-6819(2020)-08-0120-07