土壤微生物膜對風(fēng)沙土固沙保水特性的影響

杜宇佳，高廣磊，陳麗華，丁國棟，張 英，曹紅雨，阿拉薩，劉振婷

土壤微生物膜對風(fēng)沙土固沙保水特性的影響

杜宇佳1,2，高廣磊1,2※，陳麗華1，丁國棟1,2，張 英1,2，曹紅雨1,2，阿拉薩1,2，劉振婷1

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持國家林業(yè)與草原局重點實驗室，北京 100083；2. 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，鹽池 751500）

土壤微生物膜胞外聚合物具有較強的黏結(jié)性，為增強風(fēng)沙土抗蝕性，提高風(fēng)沙土保水性提供了新途徑。鑒于此，該研究采用室內(nèi)控制試驗設(shè)置6個微生物菌劑施用水平（0、1、3、5、7和10 g/kg），以期闡明土壤微生物膜對風(fēng)沙土特性的影響。研究結(jié)果表明：1）施用微生物菌劑可產(chǎn)生土壤微生物膜，并膠結(jié)風(fēng)沙土顆粒。2）試驗結(jié)束時（第49 d），與對照組相比，不同菌劑施用處理的土壤容重降低0.54%～8.88%，孔隙度提高0.39%～3.91%，含水率顯著提高0.11%～0.25%（<0.05），大團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加5.59%～25.01%，土壤pH值由7.16顯著增加至8.32～9.23（<0.05）。3）土壤多糖含量對土壤特性的解釋率為47%，是影響土壤特性的關(guān)鍵因素。土壤微生物膜能夠有效改善風(fēng)沙土特性，增強風(fēng)沙土抗蝕性，提高風(fēng)沙土保水性，但較高的微生物菌劑施用量會增加土壤pH值，造成土壤鹽堿化，建議微生物菌劑施用水平為1～5 g/kg。研究成果有利于深入理解微生物膜固沙保水機制，并可為沙化土地防治新技術(shù)研發(fā)提供重要理論依據(jù)和科技支撐。

土壤；固沙；微生物膜；芽孢桿菌屬；胞外聚合物；風(fēng)沙土；保水

0 引 言

風(fēng)沙土是更新世時期河湖相沉積物變干后，受風(fēng)的分選作用而形成的新成土[1]，是一種非地帶性、半隱域性土壤，廣泛分布于中國北方干旱風(fēng)沙區(qū)[2]。風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性差，保水能力弱，對土壤風(fēng)蝕的發(fā)生發(fā)展有著重要影響[3]。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者始終致力于風(fēng)沙土的改良研究，以期增強風(fēng)沙土的抗蝕能力和保水性，防治土地沙化[4]。一般來說，風(fēng)沙土改良主要依賴于植物措施，但其建設(shè)成效較為緩慢；部分學(xué)者采用化學(xué)措施改良風(fēng)沙土，建設(shè)成效較快，但存在環(huán)境污染風(fēng)險[5]。因此，風(fēng)沙土改良相關(guān)研究仍然是土壤風(fēng)蝕研究的焦點和難點問題。

土壤微生物種類豐富，數(shù)量龐大，是土壤中分布最廣泛、最活躍的生命形式，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的生態(tài)功能[6-7]。在自然界中，多數(shù)土壤微生物并非以單獨的游離態(tài)存在，而是定殖于土壤顆粒表面，并分泌胞外聚合物形成微生物聚集體[8]。這種微生物聚集體被稱為土壤微生物膜，是土壤微生物生命過程中最典型、最高效的生長模式之一[9]。土壤微生物膜主要由微生物細胞和胞外基質(zhì)構(gòu)成。其中，胞外基質(zhì)的主要成分是由多糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等構(gòu)成的胞外聚合物[10]。與游離態(tài)的土壤微生物相比，微生物膜是土壤微生物適應(yīng)環(huán)境變化和環(huán)境脅迫的緩沖帶[11]，還是土壤微生物細胞之間的物質(zhì)能量交流、獲取遺傳物質(zhì)和吸收營養(yǎng)物質(zhì)的場所[12]。

微生物膜是土壤微生物自我保護和高效生長的一種適應(yīng)性機制。國內(nèi)外學(xué)者圍繞微生物膜的形成、結(jié)構(gòu)和功能等已經(jīng)開展了大量的研究工作，但主要聚焦生物技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域[13-14]，而忽視了土壤生物膜改良風(fēng)沙土的重要功能。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，芽孢桿菌屬（）、金黃色葡萄球菌（）和銅綠假單胞菌（）等常見土壤微生物均可以形成微生物膜[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，將荒漠寡營養(yǎng)細菌（）菌液噴灑于風(fēng)沙土中，可有效增加土壤顆粒黏結(jié)性，促進團粒結(jié)構(gòu)形成，增強土壤抗蝕性[17]；將膠質(zhì)類芽孢桿菌（接種于荒漠土壤后，土壤保水性得到提高[18]。因此，土壤微生物膜在風(fēng)沙土改良領(lǐng)域存在重大的應(yīng)用潛力和應(yīng)用價值，可為土地沙化防治技術(shù)研發(fā)提供了新途徑。目前，土壤微生物膜的研究仍處于起步階段，雖然其固沙保水功能得到研究證實，但相關(guān)研究相對零散，且土壤微生物膜的固沙保水機制尚不明確。鑒于此，本研究以中國北方風(fēng)沙區(qū)常見的枯草芽孢桿菌（）和短小芽孢桿菌（）為試驗材料，開展室內(nèi)控制試驗研究揭示土壤微生物膜特征及其對風(fēng)沙土特性的影響，以期深入理解土壤微生物膜固沙保水機制，并為土地沙化防治技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù)和科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗菌種為枯草芽孢桿菌和短小芽孢桿菌。菌劑購自國家微生物肥料技術(shù)研究推廣中心，活菌數(shù)約為5×109CFU/mL，并以木屑為固體培養(yǎng)基（菌株接種量體積分?jǐn)?shù)10%），以礦物質(zhì)（硅藻頁巖）為吸附劑，木屑（含菌株）與礦物質(zhì)的質(zhì)量比為1∶1。菌劑配施成本約為1.91～9.56元/m2。風(fēng)沙土取自內(nèi)蒙古自治區(qū)奈曼旗科爾沁沙地?zé)o植被流動沙丘（43°09′N，120°37′E），取樣深度0～10 cm。風(fēng)沙土基本參數(shù)為土壤微生物量碳、微生物量氮、多糖、土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 78%、0.000 42%、0.044 %、0.021%，pH值為6.22。

1.2 試驗設(shè)計與試驗方法

控制試驗于2019年11月—2020年1月在北京林業(yè)大學(xué)三頃園溫室中進行，溫室晝夜溫度分別為28和18 ℃。試驗共設(shè)置6個微生物菌劑施用水平，菌劑施用量（菌劑與土壤質(zhì)量比）分別為0、1、3、5、7和10 g/kg。將微生物菌劑與土壤混合均勻后，置于高15 cm，內(nèi)徑18 cm的花盆中，每組設(shè)置3個重復(fù)。一次性澆水使其達到飽和田間持水量，并于2019年11月18日開始，每隔7 d取土1次，至次年1月6日結(jié)束（即試驗開始第0、7、14、21、28、35、42、49 d），帶回實驗室風(fēng)干，測定土壤微生物指標(biāo)、土壤理化性質(zhì)指標(biāo)。

采用掃描電子顯微鏡（Hitachi，S-3000N）觀察、拍攝土壤微生物膜形態(tài)，驗證土壤微生物膜的存在；分別采用氯仿熏蒸浸提法和硫酸-蒽酮法測定土壤微生物量碳氮含量和土壤多糖含量[19-20]，研究揭示土壤微生物膜形成過程中微生物和胞外聚合物含量變化。采用干/濕篩法測定土壤團聚體含量[21]，烘干法測定土壤容重和土壤含水率，環(huán)刀浸透法測定土壤孔隙度，表征土壤微生物膜對風(fēng)沙土特性的影響。此外，由于土壤微生物膜可能造成土壤環(huán)境的鹽堿化，采用浸提電位法測定土壤pH值[22]，以評估其對土壤環(huán)境的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0 軟件對獲取的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（One Way ANOVA）對不同微生物菌劑施用水平土壤微生物碳氮含量、多糖、團聚體和pH值進行差異顯著性分析，并開展最小顯著差異檢驗（最小顯著性差異法LSD）。采用雙因素方差分析進行土壤容重、孔隙度、含水率變化值的差異顯著性分析。采用Origin 2018軟件繪制土壤容重、孔隙度和含水率變化圖，采用Excel 2010軟件繪制土壤微生物量、團聚體分布柱狀圖和土壤多糖含量、含水率變化曲線圖。采用Canoco for Windows 4.5軟件進行土壤微生物膜活性特征因子對土壤特性的影響分析，采用-value繪制單個因子對土壤特性的影響圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物膜特征

2.1.1 土壤微生物膜顯微特征

在風(fēng)沙土中添加微生物菌劑培養(yǎng)后，采用掃描電子顯微鏡觀察土壤微生物膜形態(tài)。在1 mm比例尺下，觀察發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙土顆粒間隙被填充；在200m比例尺下，可明顯觀察到風(fēng)沙土顆粒表面被微生物和沙粒碎屑包裹；在30m比例尺下，則可清晰地觀察到在土壤微生物膜的膠結(jié)作用下，風(fēng)沙土顆粒被粘結(jié)在一起（圖1）。顯微觀察證實，微生物菌劑確可形成土壤微生物膜，并具有膠結(jié)風(fēng)沙土顆粒的重要作用。

2.1.2 土壤微生物量碳氮特征

不同處理的土壤微生物量碳氮含量隨時間先顯著增加，而后顯著降低（<0.05），且均在28 d達到峰值（26.52～28.86和31.95～34.69 mg/kg）（圖2）。土壤微生物量碳氮含量在第35 d顯著下降（14.16～19.29和16.02～17.36 mg/kg）（<0.05）。土壤微生物碳含量相比對照組（菌劑用量為0）提高了2.41%～8.82%。其中，菌劑用量為3 g/kg處理組在第28 d時土壤微生物量碳含量最高，相比對照組提高了8.82%；土壤微生物量氮含量相比對照組提高了0.79%～8.60%，但均未達到顯著水平（0.05）。

2.1.3 土壤多糖變化

土壤多糖含量在第0～14 d無顯著變化（>0.05），21 d時多糖含量顯著上升（<0.05），隨后多糖含量顯著下降（<0.05），第35 d后變化趨于平緩（>0.05）（圖3）。試驗結(jié)束時，土壤多糖含量相比對照組提高了13.25%～55.13%。第7 d時，3 g/kg處理組土壤多糖含量相比對照組顯著增加了22.75%（<0.05）；14 d時，菌劑用量為3～10 g/kg處理組相比對照組顯著提高了20.22%～31.90%（<0.05）；49 d時，菌劑用量為10 g/kg處理組土壤多糖含量相比對照組顯著增加了55.13%（<0.05）；其他處理未達到顯著水平（>0.05）。

2.2 風(fēng)沙土特性

2.2.1 土壤容重、孔隙度和含水率變化

土壤容重與孔隙度隨施用時間變化差異極顯著（<0.01），不同處理的土壤容重和孔隙度較對照組分別降低0.55%～0.97%和提高0.39%～3.91%，但未達到顯著水平（>0.05）（圖4）。菌劑施用量和施用時間對土壤水分保持均有顯著影響（<0.05），但施用時間比微生物菌劑用量對水分保持的影響更顯著（<0.01）。添加菌劑組土壤含水率相比對照組顯著提高0.11%～0.25%（<0.05）。

圖1 不同比例尺下風(fēng)沙土掃描電子顯微鏡圖

注：不同小寫字母表示同一處理隨時間變化差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters indicated significant difference in the same processing over time, the same as below.

圖2 不同菌劑施用量條件下土壤微生物量碳氮含量變化

Fig.2 Variations of microbial biomass carbon and nitrogen in soil with different microbial agents concentrations

圖3 不同菌劑施用量條件下土壤多糖含量變化

2.2.2 土壤團聚體變化

土壤微生物膜作用下土壤團聚體共分為0.25～0.5和<0.25 mm 2種粒級。表1展示了0.25～0.5 mm粒級下土壤團聚體的質(zhì)量，菌劑用量為0、1、5和10 g/kg處理組土壤大團聚體含量在第14 d時顯著增加（<0.05），14 d后所有處理組大團聚體含量均無顯著差異（>0.05）。其中，3 g/kg處理組在第21 d及之后，形成的大團聚體含量最高，達12.47～14.61 g。第49 d時，土壤團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了5.59%～25.01%。

2.2.3 土壤pH值變化

土壤pH值在35 d之前呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在第35 d后無顯著差異（0.05）（表2）。對照組土壤pH值最低，變化范圍為6.22～7.64，該組土壤pH值在第14 d及之后，顯著低于其他處理組（0.05），表明添加菌劑可顯著提高土壤pH值。微生物用量在3 g/kg及以上，在第14 d之后土壤pH值沒有顯著變化（0.05），土壤pH值范圍為8.62～9.32。

表1 不同菌劑用量施用條件下土壤團聚體變化

注：各處理為不同的菌劑施用量。不同大寫字母表示同一時間下不同處理組差異顯著。下同。

Note: Treatments represent different microbial agents concentrations. Different uppercase letters indicated significant difference between different treatment groups at the same time. Same as below.

表2 不同菌劑用量施用條件下土壤pH值變化

2.3 土壤微生物膜特征與土壤特性的關(guān)系

土壤微生物膜特征對土壤特性的解釋率在第一軸和第二軸的解釋率分別為58.1%和4.5%（圖5），累計解釋率為62.6%，且對土壤特性與微生物膜特征之間關(guān)系的累計解釋率達到了92.8%，表明這兩軸能夠反映土壤特性與微生物膜特征的絕大部分信息。土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、多糖與土壤pH值、含水率、團聚體、孔隙度均呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)性。

通過對土壤微生物膜特征進行蒙特卡洛檢驗排序，研究其對土壤特性影響的重要性，結(jié)果表明重要性依次為土壤多糖、土壤微生物量氮、土壤微生物量碳（表3）。多糖對土壤特性的影響達到極顯著水平（<0.01），對土壤特性影響的解釋率為47%；土壤微生物量氮對土壤特性的影響達到顯著水平（<0.05），解釋率為30%，表明土壤微生物膜特征中多糖是影響土壤特性最關(guān)鍵的因素，土壤微生物量氮次之。

SBD：土壤容重；SP：土壤孔隙度；SA：土壤團聚體；SWC：土壤含水率；SPS：土壤多糖含量；MBC：土壤微生物量碳；MBN：土壤微生物量氮。下同。 SBD: soil bulk density; SP: soil porosity; SA: soil aggregates; SWC: soil water content; SPS: soil polysaccharide; MBC: soil microbial biomass carbon; MBN: soil microbial biomass nitrogen. Same as below.

表3 土壤微生物膜特征因子的蒙特卡洛檢驗

根據(jù)-value雙序圖進一步分析得到單一土壤微生物膜特征對土壤特性的影響。對土壤多糖進行分析（圖6a），土壤pH值與土壤團聚體完全落入實線圈內(nèi)，表明土壤多糖與pH值、團聚體呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤含水量與土壤孔隙度穿過實線圈，說明土壤多糖與含水率、孔隙度呈正相關(guān)性；土壤容重穿過虛線圈，表示土壤多糖與容重呈負(fù)相關(guān)性。土壤微生物量氮與土壤特性的關(guān)系表明（圖6b），土壤微生物量氮與pH值，土壤含水率呈正相關(guān)性。圖 6c表明土壤微生物量碳與pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤團聚體、含水率、孔隙度呈正相關(guān)性，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)性。

圖6 土壤微生物膜單一指標(biāo)對土壤特性影響的t值檢驗

3 討 論

3.1 土壤微生物膜特征變化

土壤微生物膜的生命活動首先通過微生物細胞在土壤表面定殖，進而完成發(fā)育并逐漸成熟形成微生物膜，最后分散成為微生物細胞，繼續(xù)完成下一個周期[23]。本研究觀察到微生物細胞首先會聚集在一起，填充沙粒之間的間隙，利用自身產(chǎn)的胞外聚合物從而將沙粒粘結(jié)在一起形成微生物膜。在本研究中，采用掃描電子顯微鏡實現(xiàn)了微生物膜的可視化。由于土壤空間的異質(zhì)性和微生物膜形成過程的循環(huán)性，使得采用掃描電子顯微鏡觀察風(fēng)沙土中不同劑量微生物菌劑微生物膜十分困難，存在重大的技術(shù)制約。另外，本研究采用多糖含量這一指標(biāo)來間接反應(yīng)菌劑劑量的差異。微生物膜主要由微生物細胞和微生物膜基質(zhì)兩部分組成。一般來說，細胞干質(zhì)量僅占微生物膜質(zhì)量的2%～15%，其余部分為微生物膜基質(zhì)，其中，微生物膜基質(zhì)主要包括細胞自身分泌的胞外多糖、蛋白質(zhì)和核酸等大分子物質(zhì)[24]。因此，土壤多糖含量的變化也可反映微生物膜的形成變化，不同劑量菌劑所形成的微生物膜作用下土壤多糖的變化反映了微生物膜的形成過程對風(fēng)沙土特性的影響。

土壤微生物量碳氮含量的動態(tài)變化是一個復(fù)雜的過程，可綜合反映土壤微生物量的大小和土壤微生物的活性強度[25]。本研究中，土壤微生物量碳氮含量變化趨勢一致，其值先增加后降低，二者含量的增加表明培養(yǎng)條件適宜微生物的生長，微生物利用土壤中的有機碳源和養(yǎng)分進行大量繁殖，將碳氮固定在自身體內(nèi)，使得土壤微生物量碳氮含量增加[26]。之后，土壤中的養(yǎng)分隨著有機質(zhì)的分解、水分的減少而減少，使得微生物數(shù)量減少，土壤微生物量碳氮含量隨之減少[27]。濕潤和干旱都會造成土壤微生物數(shù)量降低[28]，因此土壤微生物量碳氮含量在培養(yǎng)初期和末期均較低。微生物膜可提高土壤微生物量，但相比對照組并未達到顯著水平，這與前人研究一致[29]。這是由于雖然添加了外源細菌，增加了土壤微生物的數(shù)量，但風(fēng)沙土中養(yǎng)分較低，微生物無法固定土壤中足夠的碳氮來使微生物生物量達到顯著水平。微生物膜可顯著提高土壤多糖含量，這是由于添加的外源菌劑中枯草芽孢桿菌和短小芽孢桿菌可高產(chǎn)胞外聚合物[30]。

土壤微生物量周轉(zhuǎn)周期短，能夠快速地反映環(huán)境因子的變化過程[31]，且水分是微生物生命活動最為重要的因素之一[32]。土壤微生物膜形成初期，土壤水分呈飽和狀態(tài)，水分過多不利于微生物的生存。21 d時，土壤微生物量與多糖開始積累，這是由于這時的土壤水分適宜土壤微生物的生長。35 d時，土壤微生物量與多糖含量開始下降，這是由于風(fēng)沙土水分蒸發(fā)較快。當(dāng)水分蒸發(fā)至不能滿足微生物的活動，微生物量與多糖含量趨于平穩(wěn)。

3.2 土壤微生物膜對土壤特性的影響

風(fēng)沙土具有結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性差，保水能力弱的特點。土壤微生物膜可提高風(fēng)沙土保水能力。一方面，微生物膜形成前期，微生物會分泌大量的胞外聚合物，而分泌的胞外聚合物可與土壤水分形成氫鍵，使得土壤中保持了更多的水分[33]，從而提高土壤的保水能力。土壤微生物膜的生命過程具有周期性，在微生物細胞解散時，胞外聚合物中蛋白質(zhì)和多糖也會被破壞，從而使土壤中的水分釋放出來，水分保持量也隨之下降。另一方面，土壤中微生物的數(shù)量升高，活性增強，土壤微生物膜可降低土壤容重，增加土壤孔隙度。這也就增加了土壤的透水透氣性，促進了水分的下滲，也有利于水分的保持。

隨著微生物菌劑用量的增加，大團聚體的質(zhì)量百分比呈現(xiàn)增加的趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致[34]。土壤團聚體的穩(wěn)定性主要是由土壤顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的生物穩(wěn)定性決定，土壤微生物膜通過微生物分泌產(chǎn)生胞外聚合物，使土壤顆粒膠結(jié)在一起，因其自身較高的穩(wěn)定性從而形成穩(wěn)定的大團聚體[35]。同時，微生物可向土壤中提供大量的有機物質(zhì)，有機物分解及土壤微生物膜的膠結(jié)作用可使風(fēng)沙土顆粒形成穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)，從而改變了土壤的緊實度，使得土壤容重降低，改善了土壤孔隙度的分布狀況[36]。因此，土壤微生物膜增加了風(fēng)沙土團聚體含量，增強了風(fēng)沙土的抗蝕性。

多糖是影響土壤特性最關(guān)鍵的因素，這主要是因為胞外聚合物在微生物膜結(jié)構(gòu)中起到粘結(jié)的作用，不僅提供了微生物膜的框架[37]，也與土壤水分和團聚體有著緊密聯(lián)系。而多糖是胞外聚合物的主要成分，多糖在微生物膜的形成中起著重要的作用。流動沙丘風(fēng)沙土氮含量嚴(yán)重不足，而土壤微生物量氮是土壤氮素的重要儲備庫，是土壤有機氮的重要組分，在土壤氮循環(huán)中起著重要的作用[38]，通過微生物固定的氮來促進土壤氮素含量的增加，微生物量氮是影響土壤特性的顯著因素。

土壤微生物量、土壤多糖和土壤特征因子的值并不是隨著微生物菌劑用量的增加而增加，反而土壤pH值隨著微生物菌劑用量的增加而增加，這表明微生物菌劑用量的增加可能會造成土壤鹽堿化。這主要是因為枯草芽孢桿菌可生產(chǎn)堿性蛋白酶[39]，具有高產(chǎn)蛋白酶、抗逆性強、耐高堿等特點，且在培養(yǎng)過程中會產(chǎn)生表面活性劑[40]，表面活性劑可保護酶的活性，使得堿性蛋白酶的活性增強，從而導(dǎo)致土壤pH值升高。也有研究表明，土壤pH值與芽孢桿菌量呈正相關(guān)[41]，因此微生物菌劑的用量會影響土壤pH值的變化。除此之外，由于微生物菌劑中含有木屑、礦物質(zhì)等吸附劑，這些物質(zhì)可能呈堿性，也會影響土壤pH值。得到這一試驗結(jié)果后，本研究組與國家微生物肥料研究推廣中心進行了深入的探討，希望可以通過添加偏酸性吸附劑避免或降低對土壤pH值的影響。此外，研究組也在進一步開展土壤微生物篩選工作，以期找到新的功能性土壤微生物。土壤微生物多樣性極為豐富，使得對于土壤微生物功能的了解也存在極大的局限。因此，進一步了解土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，篩選優(yōu)化微生物菌劑菌種和吸附劑，進而提高土壤微生物分泌胞外聚合物效率，降低對土壤鹽漬化的影響，將是未來土壤微生物膜相關(guān)研究的重要內(nèi)容。

另外，微生物與沙生植物的互饋作用是微生物膜研究另一個重要的方向。微生物膜對植物生長應(yīng)是有利的。一方面，水分是干旱地區(qū)限制植物生長最重要的因素，微生物膜可通過提高土壤水分保持能力來供給植物生長所需的水分；另一方面，枯草芽孢桿菌作為一種根際促生菌[42]，可以微生物膜形式存在于根際微生境，通過改善土壤質(zhì)量和產(chǎn)生植物激素等直接作用促進植物生長，也可以通過提高植物抗逆性間接發(fā)揮促生作用[43]。因此，微生物膜在風(fēng)沙防治應(yīng)用中對后期植被生長應(yīng)是有利的。

風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性差，保水性弱，而土壤微生物膜能夠有效固沙保水，其成本與常見新型沙障材料和化學(xué)、微生物固沙劑基本相當(dāng)，隨著菌劑配施技術(shù)的逐漸成熟和規(guī)模化生產(chǎn)，菌劑成本必將繼續(xù)下降。因此，本研究提出的土壤微生物膜改善風(fēng)沙土固沙保水特性的研究在風(fēng)沙土改良和沙化土地防治領(lǐng)域具有較好的開發(fā)應(yīng)用潛力。但需指出的是，由于枯草芽孢桿菌屬于堿性細菌，菌劑的施用可能會造成土壤pH值增加。因此，進一步篩選功能性土壤微生物和研發(fā)菌劑吸附劑是未來重要的研究工作。此外，施用土壤微生物膜菌劑后，其與沙生植物的互饋作用也有待進一步深入研究。

4 結(jié) 論

微生物菌劑施用于風(fēng)沙土可形成土壤微生物膜，提高了土壤微生物量碳氮和多糖含量，并膠結(jié)松散的風(fēng)沙土顆粒。同時，土壤微生物膜的出現(xiàn)降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了風(fēng)沙土水分保持能力；增加了土壤大團聚體含量，增強了風(fēng)沙土的抗蝕性；但較高的微生物菌劑施用水平會增加土壤pH值。土壤微生物量碳氮、多糖與土壤pH值、含水率、團聚體、孔隙度均呈正相關(guān)關(guān)系，與容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，土壤多糖含量是影響風(fēng)沙土特性的關(guān)鍵因素。

[1] 趙哈林. 沙漠生態(tài)學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] Gao G L, Ding G D, Zhao Y Y, et al. Characterization of soil particle size distribution with a fractal model in the desertified regions of Northern China[J]. Acta Geophysica, 2016, 64(1): 1-14.

[3] Lang L L, Wang X M, Wang G T, et al. Effects of aeolian processes on nutrient loss from surface soils and their significance for sandy desertification in Mu Us Desert, China: A wind tunnel approach[J]. Journal of Arid Land, 2014, 7: 421-428.

[4] Li X J, Zhou R P, Jian H T, et al. Quantitative analysis of how different checkerboard sand barrier materials influence soil properties: A study from the eastern edge of the Tengger Desert, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2018, 77(13): 481-495.

[5] Zhang Z H, Huisingh D. Combating desertification in China: Monitoring, control, management and revegetation[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 182: 765-775.

[6] Nkongolo K K, Narendrula-Kotha R. Advances in monitoring soil microbial community dynamic and function[J]. Journal of Applied Genetics, 2020, 61: 249-263.

[7] 杜宇佳，高廣磊，陳麗華，等. 呼倫貝爾沙區(qū)土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與功能預(yù)測[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2019，39(11)：4840-4848. Du Yujia, Gao Guanglei, Chen Lihua, et al. Soil bacteria community structure and function prediction in the Hulun Buir Sandy Area[J]. China Environmental Science, 2019, 39(11): 4840-4848. (in Chinese with English abstract)

[8] Burm?lle M, Hansen L H, S?rensen S J. Establishment and early succession of a multispecies biofilm composed of soil bacteria[J]. Microbial Ecology, 2007, 54: 352-362.

[9] Davey M E, O’Toole G A. Microbial Biofilms: From ecology to molecular genetics[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2000, 64(4): 847-867.

[10] Flemming H C, Wingender J. The biofilm matrix[J]. Nature Reviews Microbiology, 2010, 8(9): 623-633.

[11] Sabra W, Haddad A M, Zeng A P. Comparative physiological study of the wild type and the small colony variant ofunder controlled growth conditions[J]. World Journal of Microbiology Biotechnology, 2014, 30: 1027–1036.

[12] Baum M M, Kainovi? A, O'Keeffe T, et al. Characterization of structures in biofilms formed by aisolated from soil[J]. BMC Microbiology, 2009, 9: 103-116.

[13] Kenny D J, Balskus E P. Engineering chemical interactions in microbial communities[J]. Chemical Society Reviews. 2018, 47: 1705-1729.

[14] Magana M, Sereti C, Ioannidis A, et al. Options and limitations in clinical investigation of bacterial biofilms[J]. Clinical Microbiology Reviews, 2018, 31: e00084-16.

[15] 邱東，程爭鳴，張元明，等, 潘惠霞. 寡營養(yǎng)細菌對古爾班通古特沙漠土壤環(huán)境的影響[J]. 干旱區(qū)研究，2012，29(1)：148-154. Qiu Dong, Cheng Zhengming, Zhang Yuanming, et al. Effect of oligotrophic bacteria on soil environment in the Gurbantunggut Desert, Xinjiang, China[J]. Arid Zone Research, 2012, 29(1): 148-154. (in Chinese with English abstract)

[16] Kuzyakov Y, Blagodatskaya E. Microbial hotspots and hot moments in soil: Concept and review[J]. Soil Biology and Biochemistry. 2015, 83: 184-199.

[17] Velmourougane K, Prasanna R. Influence of L-amino acid on aggregation and biofilm formation inand[J]. Journal of Applied Microbiology, 2017, 123(4): 977-991.

[18] Wu N, Pan H X, Qiu D, et al. Feasibility of EPS-producing bacterial inoculation to speed up the sand aggregation in the Gurbantunggut Desert, Northwestern China[J]. Journal of Basic Microbiology, 2014, 54(12): 1378-1386.

[19] Jenkinson D S, Brookes P C, Powlson D S. Mearsuring soil microbial biomass[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(1): 5-7.

[20] 張弢. 大棚蔬菜連作對土壤多糖影響的研究[J]. 北方園藝，2009(8)：165-166. Zhang Tao. Effect of continuous cropping of different vegetables on soil polysaccharides[J]. Northern Horticulture, 2009(8): 165-166. (in Chinese with English abstract)

[21] Limon O A, Govaerts B, Deckers J, et al. Soil aggregrate and microbial biomass in a permanent bed wheat-maize planting system after 12 years[J]. Field Crops Research, 2006, 97(2/3): 302-309.

[22] 查同剛. 土壤理化分析[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2017：12-17.

[23] Cai P, Sun X J, Wu Y C, et al. Soil biofilms: microbial interactions, challenges, and advanced techniques forcharacterization[J]. Soil Ecology Letters, 2019, 1(3/4): 85-93.

[24] Aguilera A, Souza-Egipsy V, Martín-úriz P S, et al. Extracton of extracellular polymeric substances from extreme acidic microbial biofilms[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 78: 1079-1088.

[25] 井大煒，邢尚軍，劉方春，等. 畦灌配施保水劑改善楊樹林下土壤物理性狀提高微生物活性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(14)：116-122.

Jing Dawei, Xing Shangjun, Liu Fangchun, et al. Border irrigation co-applied with super absorbent polymers improving soil physical characteristics and increasing microbial acticity in poplar forest[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 116-122. (in Chinese with English abstract)

[26] 陳安強，付斌，魯耀，等. 有機物料輸入稻田提高土壤微生物碳氮及可溶性有機碳氮[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(21)：160-167.

Chen Anqiang, Fu Bin, Lu Yao, et al. Exogenous organic materials applied to paddy field improving soil microbial biomass C, N and dissolved organic C, N[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 160-167. (in Chinese with English abstract)

[27] Azeez J O, Van Averbeke W. Nitrogen mineralization potential of three animal manures applied on a sandy clay loam soil[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(14): 5645-5651.

[28] 黃科朝，沈育伊，徐廣平，等. 墾殖對桂林會仙喀斯特濕地土壤養(yǎng)分與微生物活性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2018，39(4)：1813-1823. Huang Kechao, Shen Yuyi, Xu Guangping, et al. Effects of reclamation on soil nutrients and microbial activities in the huixian karst wetland in Guilin[J]. Environmental Science, 2018, 39(4): 1813-1823. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉躲，王磊，曹湛波，等. 接種菌根真菌對濕生植物根際土壤硝化反硝化活性的影響及其微生物機制[J]. 環(huán)境科學(xué)，2020，41(2)：932-940. Liu Duo, Wang Lei, Cao Zhanbo, et al. Effects of mycorrhizal fungi on nitrification and denitrification in the rhizospheric soil of aquatic plants and its microbial mechanism[J]. Environmental Science, 2020, 41(2): 932-940. (in Chinese with English abstract)

[30] Ghoneim M A M, Hassan A I, Mahmoud M G, et al. Effect of polysaccharide from. on cardiovascular diseases and atherogenic indices in diabetic rats[J]. BMC Complementary and Alternative Medicine, 2016, 16: 112-123.

[31] 李鵬，李占斌，薛萐，等. 干熱河谷地區(qū)不同土地利用方式土壤微生物量及其活性分異特征[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2011，19(S1)：130-138. Li Peng, Li Zhanbin, Xue Sha, et al. Soil microbial biomass and its differentiation characteristic under different land use in dry-hot valley[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2011, 19(S1): 130-138. (in Chinese with English abstract)

[32] 徐國偉，陸大克，孫會忠，等. 干濕交替灌溉與施氮耦合對水稻根際環(huán)境的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(4)：186-194.

Xu Guowei, Lu Dake, Sun Huizhong, et al. Effect of alternative wetting and drying irrigation and nitrogen coupling on rhizosphere environment of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 186-194. (in Chinese with English abstract)

[33] 唐海，沙俊鵬，歐陽龍，等. Fe(Ⅱ)活化過硫酸鹽氧化破解剩余污泥[J]. 化工學(xué)報，2015，66(2)：785-792. Tang Hai, Sha Junpeng, Ouyang Long, et al. Persulfate activated by Fe(II) for oxidation and disintegration of excess sludge[J]. CIESC Journal, 2015, 66(2): 785-792. (in Chinese with English abstract)

[34] Lehmann A, Zheng W S, Rillig M C. Soil biota contributions to soil aggregation[J]. Nature Ecology and Evolution, 2017, 1: 1828-1835.

[35] 孟慶英，鄒洪濤，韓艷玉，等. 秸稈還田量對土壤團聚體有機碳和玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(23)：119-125. Meng Qingying, Zou Hongtao, Han Yanyu, et al. Effects of straw application rates on soil aggregates, soil organic carbon content and maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 119-125. (in Chinese with English abstract)

[36] 李榮，侯賢清，吳鵬年，等. 秸稈還田配施氮肥對土壤性狀與水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50(8)：289-298. Li Rong, Hou Xianqing, Wu Pengnian, et al. Effect of straw returning with nitrogen application on soil properties and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(8): 289-298. (in Chinese with English abstract)

[37] Ul-Haq I, Mukhtar H. Fuzzy logic control of bioreactor for enhanced biosynthesis of alkaline protease by an alkalophilic strain of[J]. Current Microbiology, 2006, 52(2): 149-152.

[38] 紀(jì)宏偉，王小敏，龐宏偉，等. 枯草芽孢桿菌與巨大芽孢桿菌對土壤有效態(tài)Cd的影響研究[J]. 水土保持學(xué)報，2015，29(3)：325-329. Ji Hongwei, Wang Xiaomin, Pang Hongwei, et al. Effect ofandon soil available Cd[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 325-329. (in Chinese with English abstract)

[39] 高海寧，李彩霞，孫小妹，等. 黑河上游冰溝流域土壤養(yǎng)分與微生物空間異質(zhì)性研究[J]. 草業(yè)學(xué)報，2018，27(6)：23-33. Gao Haining, Li Caixia, Sun Xiaomei, et al. Study of microorganism abundance and communities in response to soil factors in Binggou Valley, the upper reaches of Heihe[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(6): 23-33. (in Chinese with English abstract)

[40] Lin H R, Chen G C, Long D Y, et al. Responses of unsaturatedbiofilms to environmental stresses in relation to the EPS composition and surface morphology[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2014, 30: 3081-3090.

[41] 盧虎，姚拓，李建宏，等. 高寒地區(qū)不同退化草地植被和土壤微生物特性及其相關(guān)性研究[J]. 草業(yè)學(xué)報，2015，24(5)：34-43. Lu Hu, Yao Tuo, Li Jianhong, et al. Vegetation and soil microorganism characteristics of degraded grasslands[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 34-43. (in Chinese with English abstract)

[42] Dutta S, Podile A R. Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): the bugs to debug the root zone[J]. Critical Reviews in Microbiology, 2010, 36(3): 232-244.

[43] Ongena M, Jacques P.lipopeptides: versatile weapons for plant disease biocontrol[J]. Trends in Microbiology, 2008, 16(3): 115-125.

Effects of soil microbial films on sand fixation and water retention characteristics of aeolian soils

Du Yujia1,2, Gao Guanglei1,2※, Chen Lihua1, Ding Guodong1,2, Zhang Ying1,2, Cao Hongyu1,2, A Lasa1,2, Liu Zhenting1

(1.,,,100083,; 2.,751500,)

In natural environment, soil microorganisms usually exist in the form of microbial aggregates rather than the free single microbial cell by secreting extracellular polymeric substances on the surface of soil particles. These microbial aggregates are widely known as soil microbial films. Soil microbial films are an important adaptive approach for soil microbial self-protection and efficient growth. In addition, more and more people are realizing that soil microbial films potentially contribute to the anti-erodibility and water retention improvement of aeolian soils due to the strong cohesiveness of the extracellular polymeric substances. Therefore, as an emerging research approach, soil microbial films are at the forefront for desertification combating. However, due to the mechanism of this improved process remains unclear, these knowledge gaps have been hindering soil microbial films to be an alternative to the traditional techniques for desertification combating. In this study, the controlled experiment was conducted in a greenhouse using the common aeolian soils and soil bacteria (and). 6 microbial agents (0, 1, 3, 5, 7 and 10 g/kg) were involved to test various soil properties and to identify the ecological function of soil microbial films. The results indicated that 1) Soil microbial films were successfully and largely induced by the microbial agents and clearly detected by the scanning electron microscope at multiple scales. In details, soil microbial cells first gathered, and then filled the space and cement aeolian soil particles using extracellular polymeric substances. In this process, soil microbial biomass carbon and nitrogen as well as soil polysaccharide were all increased, which were 2.41%-8.82%, 0.79%-8.60%, and 13.25%-55.13% higher than the control group, respectively. 2) On the 49thday of the experiment, most of the soil properties were increasing affected by soil microbial films as follow soil porosity (0.39% -3.91%), soil moisture (0.11%-0.25%,<0.05), soil aggregates (5.59%-25.01%), and soil pH value (from 7.16 to 8.32-9.23,<0.05). Soil bulk density was the only index which was in a deceasing tendency (0.54%-8.88%). 3) According to the redundancy analysis, soil polysaccharide was the most critical factor affecting aeolian soils with the highest interpretation rate (47%), followed by soil microbial biomass nitrogen and carbon. This was due to soil polysaccharide was main component of extracellular polymeric substances and played an important role in the formation of soil microbial films, backing up the ecological function of soil microbial films in soil improvement. In conclusion, soil microbial films effectively improve aeolian soils involving anti-erodibility and water retention. However, what is worth noting is that the microbial agents in a high concentration significantly increased soil pH resulting in soil salinization. Therefore, we highly recommended that the suitable microbial agents were 1-5 g/kg. Moreover, the recipe of adsorbent is also can be optimized to alleviate and curb soil salinization. This improved information is expected to provide a better understanding of the mechanism of soil microbial films affecting sand fixation and soil moisture, eventually and substantially contribute to a firm theoretical basis and scientific & technological support for the new technology exploration of desertification combating in a soil microbial approach.

soils; sand consolidation; microbial films;;extracellular polymeric substance; aeolian soil; water retention

杜宇佳，高廣磊，陳麗華，等. 土壤微生物膜對風(fēng)沙土固沙保水特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(17)：98-105.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.012 http://www.tcsae.org

Du Yujia, Gao Guanglei, Chen Lihua, et al. Effects of soil microbial films on sand fixation and water retention characteristics of aeolian soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 98-105. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.012 http://www.tcsae.org

2020-06-01

2020-08-23

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC0507101）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項目；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項

杜宇佳，主要從事荒漠生態(tài)學(xué)研究。Email：duyujia@bjfu.edu.cn

高廣磊，博士，副教授，主要從事荒漠化防治、荒漠生態(tài)學(xué)研究。Email：gaoguanglei@bjfu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.012

S157

A

1002-6819(2020)-17-0098-08