周蓓蓓，侯亚玲，王全九,2

（1. 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048；2. 中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨陵 712100）

0　引　言

西北干旱区位于降雨稀少的内陆盆地，其中山区是水资源形成的主要地区，水分在径流的过程中，与母岩不断发生溶滤，且伴随“盐随水走，水去盐留”的现象，导致在地下水的流动过程中，水体不断盐化[1-2]，同时影响盐分分布的另外一个主要因素是灌溉作用，在田间由于蒸发作用导致水分耗失，盐分积累在表层土壤，导致土壤发生次生盐碱化[3-4]。土壤盐碱化及次生盐碱化是限制农田高效利用和导致农业生产力水平低下的直接影响因素[5]。据最新统计，新疆是中国最大的盐土区，盐碱土面积达1 100万hm2，约占全国盐碱土面积的1/3和新疆土地面积的 6.6%[6]。改造治理及合理开发利用这些资源是西北干旱半干旱农业可持续发展的重要途径之一，亦对经济、社会和生态可持续发展具有重要意义[7]。目前，生物改良盐碱地主要通过生物途径使植物充分适应盐渍环境，从而提高植物在盐渍土壤上的生产力，因其绿色环保、成本低等显著优势，成为近年来国内外盐渍土改良的新方向[8]。

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是芽孢杆菌属的一类分布广泛的细菌，具有耐热抗逆性强、对人畜无毒无害、不污染环境、环境兼容性好等优点[9]。枯草芽孢杆菌是种对植物根际有益的微生物，可分泌各种酶、激素类物质、抗菌类物质，从而促进植物根系生长，增强植物抗逆境生长的能力，提高植株生长的能力[10]。于占东等[11]研究表明施用生物菌剂可降低大棚连作土壤全盐含量，减轻黄瓜枯萎病。李志洪等[12]认为施用微生物菌剂可使土壤中难溶性的磷活化，改善玉米生长所需要的营养条件，促进玉米根系对养分的吸收，提高植株的生长。尹汉文[13]研究报道，枯草芽孢杆菌可明显提高辣椒和茄子的耐盐性。康平[14]研究发现枯草芽孢杆菌可以产生各类有机酸和无机酸，降低土壤环境中pH值，这种低分子量有机酸通过羟基、羧基与土壤发生螯合作用，使矿物表面的金属离子溶出，导致土壤微孔受到破坏而减少，改善土壤结构[15]。其次，这种低分子有机酸通过静电作用被土壤颗粒吸附，同时还能与土壤中的铁铝等多种金属离子形成络合物而被土壤所吸附，这种吸附会增加可变电荷土壤表面的负电荷，并减少表面的正电荷量[16]。以上众多研究均表明，盐分胁迫下，枯草芽孢杆菌可以促进植物对矿质营养元素的吸收，提高品质和产量；增加植物对水分的吸收和利用能力；诱导植物生理代谢发生变化等。李兰晓等研究认为芽孢杆菌菌剂可以提高盐碱地造林成活率，并能促进生长[17]，但是目前大部分工作仍集中枯草芽孢杆菌对作物生长发育、产量、品质等表观方面，而对于枯草芽孢杆菌如何从根本上改善盐碱土理化性质以及影响作物生长的水盐运移的研究较少。

因此，本文将不同含量枯草芽孢杆菌可湿性粉剂与土壤均匀混合，基于一维垂直土柱入渗试验，比较不同含量枯草芽孢杆菌情况下土壤的入渗特征及水盐分布特征，分析枯草芽孢杆菌对土壤入渗公式参数的影响，进而明确枯草芽孢杆菌对土壤水盐运移的影响，以期为微生物改良盐碱地提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

供试土样取自新疆维吾尔自治区昌吉市农业生态试验站田间试验小区，均为表层 0～20 cm 耕作层的土壤，土质均匀。土壤容重采用环刀法测定，为1.47 g/cm3，将取回土样置于阴凉处干燥、风干，去除土样中的枯枝、残留物，过2 mm筛以留备用。土壤粒径组成采用英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行测定，其黏粒、粉粒、砂粒的体积分数分别为7.13%、60.41%、32.46%，依据国际制土壤质地分类标准，得知该土壤质地为粉壤土。利用DDS-307型电导仪器测得研究区域土壤的含盐量为0.18%，pH值为8.3，该区域土为盐碱土。土壤初始体积含水率和土壤饱和体积含水率分别为0.027、0.32 cm3/cm3。

试验所用的 1 0亿活芽孢/克枯草芽孢杆菌可湿性粉剂由保定市科绿丰生化科技有限公司生产。

1.2　试验设计及方法

土壤入渗试验装置由马氏瓶、有机玻璃制作的土柱试管、支架等组成，其中马氏瓶高度为 50 cm，内径为5 cm，土柱试管高50 cm，内径为5 cm，底部5 cm为反滤层，并设有排气孔，装土高度40 cm。将10亿活芽孢/克枯草芽孢杆菌可湿性粉剂与过筛后的土样混合均匀，混合比例分别为0、1、3、5、7 g/kg，并按田间实际容重1.47 g/cm3，将混合后的土样装入土柱试管内，每5 cm分层装入（共8层），层间刮毛，供水系统为马氏瓶，控制水头高度为 1 cm，试验过程中记录土柱湿润锋和马氏瓶的读数，马氏瓶中水位的下降高度即为土壤的累积入渗量。当湿润锋运移至距土面27 cm（入渗深度约为整个土柱长度的2/3）时停止供水，并迅速吸干上层积水，分层取样，取样深度为0、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27 cm，质量含水率采用烘干法（105±2） ℃测定。将分层取得的样阴干、研磨、过1 mm筛后保存，室内分析采用5∶1水土质量比浸提电导法，换算得到土壤全盐含量。研磨后按土水质量比 1:5浸提，利用DDS-307型电导仪测定溶液的电导率，转化得到土壤含盐量[18]；其次将分层取得的样经过干燥、研磨后，称取4 g置于湿筛分装置中测量土壤的水稳性团聚体含量[19]， 3次重复。

1.3　入渗模型

该文采用Philip和Green-Ampt入渗公式分析枯草芽孢杆菌对水分入渗特性的影响。

（1）Philip入渗公式

Philip方程[20]具有公式形式简单，物理意义明确等特点，适用于初始含水量均匀分布的均质土壤的一维垂直入渗问题，其表达公式为

式中，i(t)—土壤入渗速率，cm/min；t—入渗历时，min；S—吸渗率，cm/min0.5；A—稳定入渗率，cm/min。

累积入渗量[21]表示为

式中，I—土壤入渗速率，cm。

（2）Green-Ampt入渗模型

Green-Ampt入渗模型[21-22]假定在积水入渗过程中，湿润锋面以上的土壤处于饱和状态，且在湿润锋面存在1个固定不变的吸力，其表达公式为

式中，KS—土壤表征饱和导水率，cm/min；zf—概化的湿润锋深度，cm；hf—湿润锋处的吸力，cm；H—土壤表面积水深度，cm。

由于土壤表面积水深度比较小，积水所形成的压力势可忽略不计，将（2）式简化为

由于湿润锋面以上土壤处于饱和状态，根据水量平衡原理，累计入渗量表示为

式中，θs—土壤饱和含水量，cm3/cm3；θi—土壤体积含水量，cm3/cm3。

在Philip入渗模型和Green-Ampt入渗模型中，对于确定的入渗率存在相对应的入渗时间和概化湿润锋深度，且确定的入渗时间和相对应的概化湿润锋深度，0I与I相等，结合（1）、（2）、（4）与（5）得到

因此，利用式（6）即可根据 Green-Ampt入渗模型的参数来计算Philip入渗模型参数或根据Philip入渗模型的参数来计算Green-Ampt入渗模型参数。

1.4　数据处理与分析

文中试验数据均取3次重复的平均值，用Excel 2010进行数据处理；SPSS19.0进行方差分析和模型参数拟合。

2　结果与分析

2.1　枯草芽孢杆菌对土壤累积入渗量的影响

受枯草芽孢杆菌的影响，土壤水分累积入渗量和入渗速率随时间的变化过如图 1所示。在施加枯草芽孢杆菌后，土壤的累积入渗量均显著减少，枯草芽孢杆菌质量分数为3 g/kg尤为显著。在初始入渗时（渗润阶段），土壤较为干燥，入渗水分受分子力作用下渗，且湿润锋

面的非饱和度和水势梯度大，入渗速率大，由于累积入渗量较小，该时期不同含量枯草芽孢杆菌对土壤累积入渗量和入渗速率的影响较小，并无显著差异（P＞0.05）。随着入渗的进行，当土壤含水量大于最大分子持水量时，入渗进入渗漏阶段[23]，入渗水分受毛管力和重力作用，直至土壤水达到饱和状态，其中在入渗约300 min后，枯草芽孢杆菌的保水性能显现，1、3、5、7 g/kg的累积入渗量均小于0 g/kg，不同含量枯草芽孢杆菌处理差异极显著（P＜0.01），不同处理的入渗速率差异也逐渐变大。这主要由于枯草芽孢杆菌可以在土壤中产生各类有机酸和无机酸[14]，而这种低分子量有机酸通过羟基、羧基与土壤发生作用，螯合作用使矿物表面的金属离子溶出，导致土壤微孔受到破坏而减少，改善土壤结构，促进土壤形成良好的团粒结构[16]，进而大大改善粉壤土壤的保水能力；同时，枯草芽孢杆菌亦能产生具有良好絮凝性能的絮凝剂γ-聚谷氨酸（γ-PGA）[5]，而γ-PGA可增加土壤的保水性能，具有明显的减少土壤水分入渗和增强土壤持水的效果[24]。在入渗时间为3600 min时，枯草芽孢杆菌质量分数为1、3、5、7 g/kg的累积入渗量分别比未添加减少了 18.49%、21.85%、12.18%、3.78%。枯草芽孢杆菌质量分数为3 g/kg时，累积入渗量和入渗速率最小，在枯草芽孢杆菌质量分数大于 3 g/kg时，累积入渗量之所以呈现增大的趋势，可能主要由于枯草芽孢杆菌产生的低分子有机酸，不仅通过静电作用被土壤颗粒所吸附，还能与土壤中的铁铅等多种金属离子形成络合物而被土壤吸附，而这种吸附会增加可变电荷土壤表面的负电荷，并减少表面的正电荷量[16]，入渗速率增大。

图1　不同枯草芽孢杆菌含量对累积入渗量及入渗速率的影响Fig.1　Effect of different contents of Bacillus subtilis on accumulative infiltration and infiltration rate

2.2　枯草芽孢杆菌对土壤湿润锋运移的影响

根据实测结果，将枯草芽孢杆菌对湿润锋运移的影响绘于图2。由图2可知，在入渗初期，不同处理间无显著性差异，随着入渗时间的增加，枯草芽孢杆菌对土壤的保水性能得以显现，各处理之间差异显著（P＜0.01），当各湿润锋运移至土柱底部27 cm时，0、1、3、5、7 g/kg所用时间分别为3 700、7 260、7 700、5 100、4 320 min，运移速率分别为7.84×10–3、4.00×10–3、3.77×10–3、5.69×10–3、6.71×10–3cm/min，呈现先减少后增大的趋势，与累积入渗量变化趋势相似，故枯草芽孢杆菌可增加土壤的保水性能，王晓阁研究表明枯草芽孢杆菌能产生具有良好絮凝性能的絮凝剂γ-聚谷氨酸（γ-PGA）[9]；鞠蕾等[25]研究结果表明γ-PGA具有很强的吸水能力，在蒸馏水和生理盐水中的吸水倍数约为200；当枯草芽孢杆菌施加量大于3 g/kg时，运移速率较1、3 g/kg有所增加，可能是因为土壤表面负电荷增加，土壤孔隙增大导致。因此，当枯草芽孢杆菌的施加量为3 g/kg时，可增加土壤的保水性能，提高土壤水分的利用率。

对湿润锋 F（cm）和入渗时间 t（min）两者进行关系拟合，符合幂函数关系：F=atb，其中a表示初始计时时的湿润锋运移距离，b表征湿润锋运移的衰减程度[26]。对实测资料的拟合见图2，其决定系数R2均大于0.99，显著性检验（P＜0.01）。在湿润锋与时间变化过程中，随着枯草芽孢杆菌含量增大，a值先减少后增大，b值先增大后减少。

图2　不同枯草芽孢杆菌含量对湿润锋的影响Fig.2　Effect of different contents of Bacillus subtilis on wetting front

2.3　枯草芽孢杆菌对土壤入渗公式参数的影响

利用Philip和Green-Ampt入渗模型对实测的入渗数据拟合结果如表 1所示，各处理的均方根误差最大为0.044，几何平均数最小 0.959，决定系数 R2最小值为0.956，其表明Philip和Green-Ampt入渗模型均可较好地模拟不同枯草芽孢杆菌含量下土壤的入渗规律。在枯草芽孢杆菌施加量相同的情况下，Green-Ampt入渗模型拟合后的均方根误差均小于Philip入渗模型，几何平均数和决定系数R2均大于或等于Philip入渗模型。这也正符合了王全九等[22]的研究结果，在入渗时间较长的情况下，Philip入渗模型偏差较大，也证实了Philip入渗模型对所参数的精度及灵敏性较Green-Ampt入渗模型高。

进一步分析表1可以看出，对于Green-Ampt入渗模型，随着枯草芽孢杆菌含量的增加，土壤饱和导水率 KS先减少后增大，湿润锋处的吸力 hf则呈现相反的趋势，先增大后减少，与对照相比较为显著（P＜0.05）；对于Philip入渗模型的2个经验参数S、A均随枯草芽孢杆菌含量的增加先减少再增加，且均显著小于0 g/kg（P＜0.05），表明枯草芽孢杆菌对水分入渗的阻滞作用明显，其中当施加量为3 g/kg时，S及KS均取得最小值。

利用式（6）对比分析施加不同含量枯草芽孢杆菌后，2个入渗模型公式中参数间相互转化的关系，结果见表2。随着枯草芽孢杆菌含量的增加，SA和KShf均先减少后增大，且在B3处理时达到最小值，计算值与2个入渗模型拟合规律一致，但拟合值和计算值之间存在偏差，说明在枯草芽孢杆菌的影响下，通过式（6）进行 Philip和Green-Ampt入渗模型间参数互推具有一定的误差。这是由于枯草芽孢杆菌的施加改变了土壤的结构，致使入渗公式参数发生变化，从而降低了Philip和Green-Ampt入渗模型参数转化间的精度。

表1　施加不同含量枯草芽孢杆菌条件下Philip和Green-Ampt入渗模型拟合效果分析Table 1　Fitting effect analysis of Philip and Green-Ampt models under different contents of Bacillus subtilis

表2　不同含量枯草芽孢杆菌条件下2个入渗公式参数的拟合值和计算值Table 2　Fitting values and calculated values of two infiltration formula parameters under different contents of Bacillus subtilis

2.4　枯草芽孢杆菌对土壤含水率分布的影响

入渗后，各不同处理取相同深度处土壤测定含水率，结果见图3。由图3可看出，枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5和7 g/kg的剖面含水量均大于0 g/kg，在3 g/kg时剖面含水量较大，且差异极为显著。在 27 cm深度处，施加量为1、3、5和7 g/kg相比0 g/kg的剖面含水量分别增加了 17.65%、31.76%、11.76%、7.06%。这是由于枯草芽孢杆菌在土壤中产生的酸使得矿物表面的金属离子溶出，部分有机质由于失去矿物质的支撑而溶出，导致其微孔减少，改善土壤结构，增强土壤的保水性能，然而随着施加量的增大，土壤颗粒表面负电荷增大，孔隙增大，土壤水分便于流失。侯亚玲等[27]的研究结果显示，枯草芽孢杆菌可增加土壤的持水性能。因此，在施加量为 3 g/kg时，可增强土壤的持水能力，有利于作物根系对水分的吸收。

2.5　枯草芽孢杆菌对土壤含盐量分布的影响

入渗后，各不同处理取相同深度处土壤测定含盐量，结果见图4。由图4可知，土柱表层含盐量最低，且含盐量随深度增加而增加，不同处理各土层盐分含量均以0～15 cm最低，在27 cm处最高，土壤盐分随着土壤水分运移由上向下迁移，并在湿润锋处累积，造成上层脱盐、下层积盐的现象。在整个土层中，枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5、7 g/kg均小于0 g/kg的土壤含盐量，且比0 g/kg的处理分别降低了22.37%、31.29%、17.78%、10.67%，说明枯草芽孢杆菌可降低盐碱地土壤的盐分，这可能是由于枯草芽孢杆菌在土壤中分泌的有机物、死亡菌体分解产生的酸可使得矿物表面的金属离子溶出，部分有机质由于失去矿物质的支撑而溶出，使得盐碱土壤的有机成分增加，盐碱度降低。Doran等[28]的研究结果显示，γ-PGA对酸、碱具有较好的缓冲能力，可有效平衡土壤的酸碱值，避免因长期使用化学肥料造成的土壤酸化和板结。

图3　不同处理土壤含水量与深度的关系Fig.3　Relationship of soil moisture and soil depth for different treatments

图4　不同处理土壤含盐量与深度的关系Fig.4　Relationship of soil salt and soil depth for different treatments

2.6　枯草芽孢杆菌对土壤水稳性团聚体的影响

通常将粒径大于0.25 mm的团聚体称为水稳性团聚体[22]。图 5为不同枯草芽孢杆菌施加量在入渗结束后土壤水稳性团聚体分析图。由5a图可知，在整个土层中，枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5、7 g/kg的水稳性团聚体含量均大于0 g/kg，且在15～25 cm时较为显著，图5b为在不同处理下整个土层水稳性团聚体含量的平均值，分别为14.57%、16.47%、17.13%、15.98%和15.33%，相比0 g/kg水稳性团聚体增加了13.02%、17.59%、9.68%和5.24%。因此，枯草芽孢杆菌可改善土壤的团粒结构。与本文结果相似，罗欢研究表明，在盐胁迫下，芽孢杆菌可诱导植物生理代谢发生变化与植物根际其他微生物协同作用，进而改善土壤团粒结构等[29]。

图5　枯草芽孢杆菌对土壤水稳性团聚体的影响Fig.5　Effect of different contents of Bacillus subtilis on soil water-stable aggregate

3　讨　论

利用植物促生菌对盐碱土壤进行改良是目前国内外劣质土壤改良研究的热点，尤其是针对枯草芽孢杆菌对土壤物理性质影响的研究甚少，因此，本文拟通过大量土柱试验，着重研究了不同含量枯草芽孢杆菌对盐碱土水盐运移的影响，探求枯草芽孢杆菌对盐碱土改善的机理，以期待在实际应用中进行广泛推广。本文将枯草芽孢杆菌当做物理调理剂来添加分析，而没有考虑枯草芽孢杆菌是一类微生物，具有很强的繁殖能力，且会随着时间的变化而发生变化。作者将在后期的研究过程中，将着重分析枯草芽孢杆菌自身的繁殖作用对盐碱土的改良有何影响，同时考虑枯草芽孢杆菌自身的繁殖作用对作物生长情况下土壤水盐运移及根系吸水等的影响，保证在实际应用之前，给出具体的标准，以求达到最佳效果，实现环境的友好性。

4　结　论

本文基于一维土柱入渗试验，测定分析枯草芽孢杆菌对土壤累积入渗量、湿润锋运移速率、入渗参数、剖面含水量、剖面含盐量、水稳性团聚体的影响。主要取得以下研究成果：

1）枯草芽孢杆菌的添加使土壤水分累积入渗量减少。枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5、7 g/kg的累积入渗量和入渗速率均小于0 g/kg，在3 g/kg时累积入渗量和入渗速率最小，且不同处理间差异极显著（P＜0.01）。

2）枯草芽孢杆菌的添加使土壤湿润锋运移速率减少。随着入渗时间的增加，各处理之间差异显著（P＜0.01），当各湿润锋运移至27 cm时，运移速率分别为7.84×10–3、4.00×10–3、3.77×10–3、5.69×10–3、6.71×10–3cm/min，在施加量为3 g/kg时，土壤湿润锋运移速率最小。

3）Green-Ampt和Philip入渗模型均能较好的模拟土壤入渗规律。对于Green-Ampt入渗模型，随着枯草芽孢杆菌含量的增加，土壤水饱和导水率KS先减少后增大，湿润锋处的吸力hf则呈现相反的趋势，与0 g/kg相比较为显著（P＜0.05）；对于Philip入渗模型的2个经验参数S、A均随枯草芽孢杆菌含量的增加先减少再增加，且均显著小于0 g/kg，其中当施加量为3 g/kg时，S及KS均取得最小值。

4）枯草芽孢杆菌能增加土壤的保水性能。在27 cm深度处，施加量为1、3、5和7 g/kg相比0 g/kg的剖面含水量分别增加了17.65%、31.76%、11.76%、7.06%。

5）枯草芽孢杆菌的添加使土壤的含盐量显著减少。枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5、7 g/kg相比0 g/kg的处理分别降低了22.37%、31.29%、17.78%、10.67%。

6）枯草芽孢杆菌的添加使土壤水稳性团聚体含量增加。在整个土层中，枯草芽孢杆菌施加量为1、3、5、7 g/kg的水稳性团聚体含量相比 0 g/kg水稳性团聚体增加了13.02%、17.59%、9.68%和5.24%。

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