微生物基覆盖材料对新垦滨海盐土理化性质的影响

韩瑞，姚宇阗，尚辉，张弛，郑金海，陈立华*

微生物基覆盖材料对新垦滨海盐土理化性质的影响

韩瑞1，姚宇阗2，尚辉3，张弛1，郑金海1，陈立华1*

（1.河海大学，南京 210098；2.江苏省沿海开发集团有限公司，南京 210019；3.江苏省沿海开发（东台）有限公司，江苏 东台 224200）

微生物菌丝能够固结有机物物料形成的封闭覆盖物，实现对土壤的有效覆盖。【】微生物基覆盖材料的应用可降低海涂土壤蒸发、增强土壤水分入渗、促进土壤团粒结构形成和稳定，有利于减少表层土壤盐分累积，加速盐分洗脱。设置原始匡围滩涂处理（RCS，滩涂匡围完成后不进行人为处理）、常规处理（CVT，淡水洗盐+牛粪堆肥，牛粪堆施用量为4 500 kg/hm2）、田菁处理（SES，常规处理+田菁种植，田菁播种量为18 kg/hm2）和微生物基覆盖材料（Microbiological Covering Materials，MCMs）处理（MCT，田菁处理+微生物基覆盖材料，覆盖量7 500 kg/hm2），研究了不同农艺措施对滨海重盐土壤理化性状及盐分迁移影响。相较于SES处理，MCT处理单位面积田菁生物量显著增加，增加了约75.83%。相较于原始匡围滩涂（RCS）处理，MCT处理表层土壤（0~10 cm）田间持水率增加了25.23%；0~10、10~20、20~30 cm土层土壤质量含水率分别增加了37.34%、36.17%、19.67%，体积质量分别降低了9.52%、9.46%、8.67%，毛管孔隙度分别增加了14.55%、13.33%、10.54%；0~30 cm土层土壤有效磷量和速效钾量显著增加，各土层有效磷量分别增加了160.52%、297.58%、280.84%，速效钾量分别增加了186.25%、90.08%、6.00%；0~30 cm土层土壤有机质量显著提升，各土层分别增加了505.88%、594.44%、372.45%，可溶性盐量显著降低，分别降低了87.25%、85.44%、77.12%。MCMs覆盖显著增加了田菁的生物量、改善了土壤性状、增加了土壤养分、加速了土层盐分垂向迁移和降水入渗。因此，微生物基覆盖材料的使用可以加快滨海滩涂重盐土土壤中盐分的洗脱速率，促进耐盐植物生长，有利于滩涂生态建设。

滨海滩涂；微生物基覆盖材料；重盐土；土壤理化性状；田菁

0 引 言

【研究意义】滨海滩涂是自然界具有多重功能的生态系统，是海岸带环境调节的重要载体[1]。江苏位于长江、淮河、沂沐河三大水系的下游，海岸线全长954 km，滩涂资源十分丰富，部分海岸线段为淤涨型淤泥质滩涂[2]。新形成的滩涂土壤多为氯化钠盐土[3]，可溶性盐量高、有机质和氮磷量低、结构差、土壤生物量少、地表植被匮乏，滩涂生态功能较差[4-5]，因此，对滨海滩涂地区进行生态建设十分必要。

【研究进展】滨海滩涂土壤可溶性盐量高是滩涂生态建设的主要障碍因子。江苏东部沿海滩涂区域地下水矿化度高，土壤蒸发量大，是导致滩涂土壤盐分高的主要原因。现阶段针对土壤降盐的生物方法有土壤改良剂修复技术[6]、林草复合技术[7]、蓝藻修复技术[8]、污泥快速改良技术[9]、微生物肥料改良技术[10]、生物膜技术[11-12]、耐盐植物栽培抑盐技术[13]、秸秆覆盖技术[14-15]、生物沉积法[16]等方法，目前现有的盐碱地改良措施确实对降低（洗脱或抑制）土壤盐分起到了积极作用，但土壤改良剂修复、蓝藻修复和生物膜覆盖等方法仅适用于基础条件和经济条件较好的内陆局部盐碱土地区，而海岸带滩涂盐土地区由于受到气候环境、交通、水资源等因素的限制，相关技术难以大规模应用。滨海滩涂属于环境脆弱区域[17]，开发适用于滨海滩涂盐土脱盐的高效生态修复技术十分迫切。

【切入点】地表覆盖是减少土壤蒸发的重要措施，传统的覆盖材料多为塑料薄膜，不可回收或无法自然降解用塑料膜的广泛使用已经造成了严重的环境问题。近年来，作物秸秆开始被作为耕地表层覆盖物以实现土壤保温保墒，旋耕进入土地后，在土壤微生物的作用下分解转化成有机养分，不会增加环境负担，但是常规的直接秸秆覆盖封闭性差，覆盖均匀度易受天气影响[18]，难以有效降低土壤蒸发。功能微生物菌株能够利用有机废弃物作为能源物质进行生长，菌丝的链/黏接作用将有机物形成较封闭的整体[19]，已被广泛用于建筑、工业零件等新材料领域[20]。【拟解决的关键问题】拟利用真菌菌丝的链/黏接作用，将秸秆等物质制成封闭程度较高的整体，探究其覆盖一段时间后对滩涂盐碱地土壤理化性质和盐分迁移的影响，以期为滨海盐土生态修复和建设提供切实可行的方法和技术。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验区位于江苏省盐城市东台市条子泥滩涂围垦区（32°47′23″N，120°55′15″E），中纬度亚洲大陆东岸，属亚热带和暖温带的过渡区，具有典型的季风气候特征，多年年平均风速3.3 m/s，相对湿度80%。常年平均气温15.0 ℃，无霜期220 d，日照时间2 130.5 h。该区多年平均降水量1 061.2 mm，年均蒸发量882.8 mm，年均蒸发量占降雨量的83%左右[21]。试验地为2014年围垦滩涂，地表可溶盐表聚现象明显。垦区内土壤为粉砂质重盐土，土壤pH值为7.5~11，可溶性盐量为3~20 g/kg，有机质量为1~8 g/kg。地下水矿化度高、埋深浅，平均埋深小于1.5 m。

1.2 微生物基覆盖材料

试验用的微生物基覆盖材料（Microbiological Covering Materials，MCMs）是由高大毛霉（）2820和以秸秆为主要原料的物质制成。高大毛霉菌株2820分离自江苏海涂盐碱土壤，在其生长过程中形成的菌丝，固结生物质材料形成气密性良好的毡状覆盖物，能够增加降水入渗，减少土壤蒸发，抑制土壤返盐[22]，实验室条件下测定显示，MCMs覆盖后，土壤蒸发减少量可达8%，降水利用率提高77%。

1.3 试验设计

试验设置4个处理：①原始匡围滩涂处理（Reclaimed Coastal Soil，RCS），匡围完成后不进行人为处理的自然滩涂；②常规处理（Conventional Treatment，CVT），对匡围完成后的滩涂土壤进行淡水泡田处理，水层深度20 cm，浸泡24 h后将水排出，相同的洗盐措施重复3次，最后施用牛粪堆肥肥料（具体参数见表1）4 500 kg/hm2，采用1GQN-220型旋耕机将肥料与0~25 cm土层土壤混合，不种植植物；③田菁处理（Treatment，SES）处理，在CVT处理基础上种植田菁（）；④微生物基覆盖材料处理（Microbiological Covering Materials Treatment，MCT），在SES处理基础上覆盖MCMs。田菁播种时各处理0~30 cm土层的土壤理化性状见表2。

表1 牛粪堆肥理化性质

表2 土壤的理化性状

试验选用盐菁胶1号田菁，2018年6月10日播种，播种量18 kg/hm2。每个小区面积40 m2（长×宽为8 m×5 m），每个处理设置3个重复。试验除处理措施不同外，其他管理措施一致。1个田菁生长周期后（2018年12月6日）收割，田菁收割前1天采集土壤样品。

MCMs覆盖方式：土壤表层均匀覆盖由联合收割机收割水稻后产生的秸秆，覆盖量7 500 kg/hm2，秸秆上施用高大毛霉菌剂复合物（复合物原料组成及性质见表3），使用量为7 500 kg/hm2，通过拍打使其落入秸秆中下层。

表3 高大毛霉菌剂复合物原料组成及其性质

测定0~30cm土层的土壤理化性质和0~100 cm不同土层土壤含盐量，利用土钻和环刀按0~10、10~20和20~30cm土层深度采集土壤样品，100 cm深土壤利用土钻按每10cm土层取样。采用称质量法测定田菁生物量，使用游标卡尺测量根粗，米尺测量植株株高。采用环刀法测定土壤质量含水率、田间持水率、体积质量以及毛管孔隙度，重铬酸钾氧化法测定土壤有机质量，紫外分光光度计法测定土壤有效磷量，火焰光度计法测定土壤速效钾量，烘干法测定土壤可溶性盐量[23]。

1.4 统计分析

采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，显著性分析采用Duncan’s新复极差法，显著性水平为0.05，绘图使用Excel软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理对田菁生物学性状的影响

不同处理田菁生物学性状见表4。从表4可以看出，与SES处理相比，MCT处理田菁生物量、株高、根系须根数和主根粗分别增加了75.83%、27.38%、30.90%和21.65%（<0.05）。MCMs覆盖对田菁生长有比较明显的促进作用，显著改善了田菁的生物学性状。

表4 不同处理田菁生物学性状

注 同一列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异（<0.05），下同。

表5 不同处理土壤理化性质

2.2 不同处理对土壤理化性质的影响

不同处理土壤理化学性质见表5。从表5可以看出，1个田菁生长周期后，RCS处理土壤的表层（0~10 cm）土壤田间持水率平均值为21.8%，与之相比，CVT、SES处理和MCT处理土壤田间持水率分别增加了6.42%、14.68%和25.23%；MCT处理较CVT处理和SES处理增加了17.67%和9.20%（<0.05）。可见，微生物基覆盖材料的覆盖对于提升土壤田间持水率效果显著。

RCS处理和CVT处理的0~30 cm土层的土壤质量含水率相对稳定，在22.70%和23.27%左右，MCT处理和SES处理土壤含水率较RCS处理和CVT处理显著增加。相较于RCS处理，MCT处理0～30 cm各土层土壤含水率分别增加了37.34%、36.17%和19.67%（<0.05）。

RCS处理土壤体积质量无明显变化，0~30 m土层土壤体积质量为1.47~1.50 g/cm3，CVT、MCT处理和SES处理土壤体积质量较RCS处理显著降低。相较于RCS、CVT处理和SES处理，MCT处理0~10 cm土壤体积质量分别降低了9.52%、7.64%和2.92%；10~20 cm土壤体积质量分别降低了9.46%、8.22%和3.60%；20~30 cm土壤体积质量分别降低了8.67%、7.43%和3.52%（<0.05）。

RCS处理0~10 cm土壤毛管孔隙度为32.3%，相较RCS处理，CVT、SES处理和MCT处理0~10 cm土壤毛管孔隙度分别增加3.72%、8.05%和14.55%。相较于RCS、CVT处理和SES处理，MCT处理0~10 cm土壤毛管孔隙度分别提高了14.55%、10.45%和6.02%；10~20 cm土壤分别提高了13.33%、10.53%和5.31%；20~30 cm土壤分别提高了10.54%、8.46%和4.53%（<0.05）。MCT处理提高了土壤持水能力，增加了土壤质量含水率，对滨海滩涂土壤的物理结构起到了显著改善作用。

田菁收获期测得RCS处理0~10 cm土壤有效磷量为51.98 mg/kg，CVT、MCT处理和SES处理0~10 cm土壤有效磷较RCS处理显著提升。与RCS、CVT处理和SES处理相比，MCT处理0~10 cm土壤有效磷分别增加了160.52%、90.57%和19.13%；10~20 cm土壤分别增加了297.58%、155.33%和98.92 %；20~30 cm土壤分别增加了280.84%、126.14%和59.29%（<0.05）。

RCS处理0~10 cm土壤速效钾量为80.00 mg/kg，相较RCS、CVT处理和SES处理，MCT处理0~10 cm土壤速效钾量分别增加186.25%、95.73%和46.79%，10~20 cm土壤分别增加90.08%、81.85%和20.86%，20~30 cm土壤分别增加6.00%、7.12%和2.52%，MCT处理下土壤速效钾较原始匡围滩涂显著提升（<0.05）。

RCS处理表层土壤有机质量为1.36 g/kg，较试验前无明显变化。相对于RCS处理，CVT、SES处理和MCT处理0~10 cm土层土壤有机质分别增加了169.85%、367.65%和505.88%。与RCS处理相比，MCT处理0~10、10~20、20~30 cm土层土壤有机质分别增加了505.88%、594.44%和372.45%（<0.05）。与SES处理相比，MCT处理0~30 cm各土层土壤有机质分别增加了29.56%、37.36%和26.16%（<0.05）。

RCS处理表层土壤可溶盐量为17.72 g/kg，相较于RCS处理，CVT、SES处理和MCT处理土壤可溶性盐量显著降低（<0.05）。与RCS、CVT处理和SES处理相比，MCT处理0~10 cm土壤可溶性盐量分别降低了87.25%、81.29%和48.75%，10~20 cm土壤分别降低了85.44%、77.91%和46.77%，20~30 cm土壤分别降低了77.12%、64.88%和39.13%（<0.05）。微生物基覆盖材料的覆盖可以有效降低0~30cm土层土壤可溶性盐量，抑制地表盐分聚集。

2.3 不同处理对土壤盐分分布的影响

不同处理0~100 cm土层土壤盐分分布情况见图1。从图1可以看出，RCS处理0~100 cm土层土壤可溶性盐量变化较大，变化范围为7.08~17.72 g/kg，CVT处理变化范围为5.40~12.08 g/kg，SES处理为4.43~6.44 g/kg，MCT处理为2.56~6.35 g/kg，CVT、SES、MCT处理土壤可溶性盐量显著低于RCS处理，其中MCT处理最低。RCS处理和CVT处理的土壤可溶性盐量随着土层深度的增加而降低，在接近地下水时，其量随距地下水距离的减小而增加；SES处理和MCT处理土壤可溶性盐量与土层深度的增加呈正相关的趋势。

图1 不同处理土壤可溶性盐量垂向分布

3 讨 论

滨海滩涂地区土壤蒸发量大、含盐量高，植物定植困难，植被建设有利于减少土壤蒸发、增加降水入渗、提升水资源利用效率、改善生态环境[24]。试验结果表明，淡水灌溉洗盐、有机肥施用、耐盐植物种植和微生物材料MCMs的覆盖（CVT、SES和MCT 3种处理）均有利于滩涂盐土土壤结构的改善，且组合措施显著优于单项措施。MCMs覆盖能够显著增加田菁的生物量，这与MCMs覆盖降低土壤蒸发、保持土壤水分、抑制返盐具有一定的相关性，同时作物秸秆和高大毛霉菌剂复合物分解产生的有机养分可以及时补充土壤养分，促进耐盐植物田菁的生长。田菁根系及其分泌物能够改良土壤结构，根系伸展增加土壤孔隙度，在降低土壤体积质量的同时，有利于土壤导水入渗，加速盐分洗脱，SES处理和MCT处理土壤体积质量和毛管孔隙度等物理性质显著优于CVT处理，结果与Moreno-Barriga等[25]研究成果一致。

磷和钾作为主要植物营养元素，在植物体内的量仅次于氮，其量多寡对于植物生长至关重要。在植物生长发育过程中，磷和钾参与酶系统的活化、光合作用、呼吸作用、同化产物的运输等，有助于促进植物根系形成和生长，增强植物对外界环境的适应能力，提高植物抗病性和产量[24]。MCMs覆盖结合田菁种植的盐碱土改良措施有利于增加土壤有效磷、速效钾和有机质等植物生长所需养分量。原始自然滩涂盐土有效磷在16.91~51.98 mg/kg之间，属于中低养分水平，通过田菁种植和MCMs覆盖（MCT处理），0~30 cm土层土壤有效磷均高于60 mg/kg，其中表层土壤（0~10 cm）达135 mg/kg。RCS处理表层土壤速效钾量不足80 mg/kg，属于低养分水平，若要满足植物生长则需人工施用钾肥，MCT处理下土壤最高可达229 mg/kg。Tran等[26]和Zhang等[27]研究发现土壤磷的浸出与土壤有机碳（DOC）之间存在很强的相关性。土壤腐殖质、田菁根际分泌物和微生物基覆盖材料中的秸秆、金针菇渣、麦麸、玉米芯粉等物质在部分耐盐渍功能微生物的分解和矿化作用下转化为有机碳和植物营养元素，大幅度提升了土壤养分和DOC量，随着DOC量的增加，土壤矿质元素磷、钾的浸出效率显著提升，从而实现土壤有效磷和速效钾量的增加，这与Dhaliwal等[28]和Alori等[29]的有机物积累影响农业土壤中营养素转化的研究结果一致。原始匡围滩涂因水流交汇处流速降低，淤积形成，土壤有机质贫乏，经取样测定得RCS处理表层土壤有机质量仅为0.51 g/kg。MCT和SES处理对增加各土层土壤有机质效果显著。经过1个田菁生长周期，MCT处理表层土壤有机质量可达6.46 g/kg，较CVT处理显著提高。MCMs覆盖和田菁种植显著增加土壤有机质，这与本试验施入大量高大毛霉菌剂复合物有关。此外，研究使用的功能菌株高大毛霉（）以及其他滩涂土壤微生物通过分解动物残体、植物凋落物、根系分泌物和覆盖材料产生了大量有机质，进一步实现土壤养分的补充。

人工洗盐措施能够将土壤盐分快速洗脱，实现土壤可溶性盐分的大幅度降低，试验结果表明，淡水洗盐可洗脱土壤65%左右的盐分。试验区内平均地下水位约为-100cm，RCS处理与CVT、SES处理和MCT处理位于不同田块，RCS处理所处田块为原始自然滩涂，未经过任何灌溉、排水和土壤脱盐改良处理，因而该处理中各土层深度的土壤可溶性盐量显著高于CVT、SES处理和MCT处理。田菁播种前，CVT、SES处理和MCT处理0~100 cm土层盐分分布初始值相同，经过不同措施的处理，0~50 cm土层深度盐分分布情况变化较大。单独种植田菁SES处理土层含盐量高于MCT处理，这与MCT处理MCMs覆盖抑制土壤蒸发有关，试验周期（1个田菁生长周期）内，MCMs覆盖通过降低地表温度、保持土壤湿度来减少地表水分的蒸发，进而削弱地下水上移补给表层土壤，抑制盐分向上迁移和表聚。此外，微生物基覆盖材料的覆盖有效缓解了降雨对地表造成的冲击力，遏制土壤孔隙的再次填充，有利于增加土壤降水入渗，促进可溶盐的淋溶，本文试验得出的结果与Mahdavi等[30]关于秸秆覆盖减少土壤表面的蒸发和短波辐射的研究结果一致。

4 结 论

1）利用微生物菌株高大毛霉2820的菌丝链/黏接作用制备的微生物基覆盖材料具有气密性好、稳定性强的特点。

2）微生物基覆盖材料的应用对于增加土壤田间持水率、含水率、孔隙度、有效磷、速效钾和有机质量，降低土壤体积质量，减少土壤中可溶性盐量，改善盐碱土的土壤结构有较好的效果。

3）微生物基覆盖材料可与灌溉脱盐和施用有机肥等农艺措施联合使用，在一个作物生长周期内能够显著改善土壤理化性质，快速降低土壤盐分，实现土壤结构优化和质量提升，且组合措施显著优于单项措施。

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Effect of Soil Amendment with Microbes on Physical and Chemical Properties of Reclaimed Saline Soil in Coastal Areas

HAN Rui1, YAO Yutian2, SHANG Hui3, ZHANG Chi1, ZHENG Jinhai1, CHEN Lihua1*

(1. Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Jiangsu Province Costal Development Co. Ltd, Nanjing 210019, China;3. Jiangsu Province Costal Development (DongTai) Co. Ltd, Dongtai 224200, China)

【】Tidal flat is a natural ecological system with multiple functions for regulating coastal environments. Soil in most tidal flats in China is rich in sodium chloride but is poorly structured, short of organic matter and nutrients such as nitrogen and phosphorus, which undermine the ecological services the flats are expected to provide. Remediating tidal flats is therefore imperative to improve their functions, a key in which is to improve soil permeability and aggregation so as to facilitate salt leaching and plant growth.【】The purpose of this paper is to elucidate the feasibility of using fungi hyphae as a soil conditioner to improve soil quality and reduce water evaporation.【】We compared four remediating treatments: reclaiming the coastal soil only (RCS), conventional remediation coupled with freshwater washing and cattle manure application (CVT), CVT plus planting(SES), amending the soil with fungi hyphae (MCMs), MCMs plus planting(MCT). The efficacy of MCMs at improving physical and chemical properties of soil, as well as salt leaching and growth of thewas measured and compared with other treatments.【】Compared to SES, MCMs significantly increased the biomass of(<0.05) by 75.83%. Compared to RCS, MCT increased: ①the field capacity of the 0~10 cm soil by 25.23%; ②bulk density of soil in 0~10, 10~20 and 20~30 cm layers by 9.52%, 9.46%, 8.67%, respectively; ③water content in 0~10, 10~20, 20~30 cm layers by 37.34%, 36.17% and 19.67%, respectively; ④the capillary porosity in 0~10, 10~20, 20~30 cm layers by 14.55%, 13.33% and 10.54% respectively; ⑤the available P in 0~10, 10~20, 20~30 cm layers by 160.52%, 297.58% and 280.84%, respectively; ⑥the available K in 0~10, 10~20, 20~30 cm layers by 186.25%, 90.08 % and 6.00 %, respectively; ⑦the organic matter content in 0~10, 10~20 and 20~30 cm layers by 505.88%, 594.44% and 372.45% respectively; ⑧the soluble salt content in 0~10, 10~20, 20~30 cm layers by 87.25%, 85.44% and 77.12% respectively.【】MCT increased permeability of the surface soil to infiltrate precipitation and reduced the evaporation, thereby alleviating secondary salinization. Our results also showed that MCMs significantly increased the biomass of S.and soil nutrients, accelerating salt migration as a result.

coastal area; microbial mulching; saline soil; soil physical and chemical properties;

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020358

1672 - 3317（2021）03 - 0094 - 07

韩瑞, 姚宇阗, 尚辉, 等. 微生物基覆盖材料对新垦滨海盐土理化性质的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(3): 94-100.

HAN Rui, YAO Yutian, SHANG Hui, et al. Effect of Soil Amendment with Microbes on Physical and Chemical Properties of Reclaimed Saline Soil in Coastal Areas[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 94-100.

2020-07-02

江苏省重点研发项目（BE2018736）；国家自然科学基金项目（41701304）；江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX20_0553）；中央高校基本科研业务费项目（2018B49114）；南京市科技计划项目（20180504）

韩瑞（1996-），女，江苏人。硕士研究生，主要研究方向为土壤微生物改良技术。E-mail: hr1171642603@163.com

陈立华（1982-），男，江苏人。副教授，博士，主要从事环境微生物技术研究。E-mail: chenlihua2001@163.com

责任编辑：陆红飞