编译：道友留步，编辑：木木夕、江舜尧。

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本文从辽宁省沈阳市农业生态研究站（123^◦21ˊE, 41^◦31ˊN）收集了0-20 cm深度的棕褐色土样。利用环刀法收集长5 cm，直径4.5 cm的原状无扰动土壤，并将部分土壤搅拌混匀后重压缩得到同样尺寸、容重的扰动后土壤。测定了两种土样不同深度层（0-5 cm，5-10 cm，10-15 cm，15-20 cm）的阳离子交换容量、zeta电位、有机质含量、pH及粒径组成（表1）。利用X-ray计算机断层扫描技术分析了原状土和扰动土的微观结构。将大肠杆菌（E.coli652T7）在适当条件下培养后作为研究菌株。开展室内土柱穿透试验研究大肠杆菌在土壤中的穿透（运动）性。首先利用NaCl溶液（10 mM，pH=6）缓慢饱和土壤，然后将含有大肠杆菌菌液、溴离子溶液及NaCl溶液的混合溶液从土柱一侧以6 cm/h的速度缓慢注入土柱。利用平板计数法及离子色谱法分别测定大肠杆菌及溴离子的浓度。借助经典对流扩散模型（ADE）对稳态饱和流条件下E.coli 652T7在土壤中的穿透（运动）过程进行了数值模拟，并借助XDLVO理论阐述了细菌运动的机制。

表1 不同深度层土壤的基础性质

1 土壤深度的影响

稳态饱和流条件下，原状土和扰动土中溴离子穿透曲线如图1所示。良好的再现性表明试验期间水动力条件的稳定性。原状土中的扩散系数（D）相比扰动土中要大，这归因于原状土中大孔隙的影响（表2）。

图1 溴离子在原状土和扰动土不同深度层的输运情况（0-5 cm，5-10 cm，10-15 cm，15-20 cm）

表2细菌迁移实验的拟合参数和质量回收率

E. coli 652T7在扰动土中的运动性随着深度增加（图2）。尤其是，C/C₀的峰值从0-5 cm深度处的0.17增加至15-20 cm深度处的0.90，这一现象与总质量回收率（M_t）由0-5 cm深度处的13.3%增加至15-20 cm深度处的77.9%一致（表2）。ANCOVA分析表明重复试验之间没有显著的区别（p >0.05）。孔隙体积为1时C/C₀更大（原状土及扰动土分别约为0.6，0.8），可能与15-20 cm处土壤理化性质的不均匀性有关。与其他土壤深度层相比，较小的附着系数（k_att）及较大的脱离系数（k_det）反映了这种差异。较小的附着系数（k_att）及较大的脱离系数（k_det）也额外说明扰动土在15-20 cm深度处比0-5 cm深度处具有更慢的细菌附着速度、更快的脱离速度（表2）。与其他土层相比，扰动土在15-20 cm处细菌浓度峰值提前到来，归因于更小的k_att2（6±0.5 h^-1），而其他土层k_att2较大（例如10-15cm处为74±1 h^-1）。这些相互作用导致表层土壤（例如，0-5 cm）中的细菌数量大幅减少，而在地下土壤(例如，15 - 20 cm)中细菌数量迅速增加，随后达到了高水平(0.68孔隙体积)。

图2 E.coli 652T7运动性沿着土壤深度剖面的变化（0-5 cm，5-10 cm，10-15 cm，15-20 cm）

不同深度间土壤质地无显著差异（Student’s t test, p > 0.05）（表1）。因此，我们将细菌附着和脱附的差异归因于土壤的地球化学异质性（例如，土壤有机质和自由氧化铁含量）(Student’s t test,p < 0.05)。随着土壤深度增加，土壤有机质含量（从0−5 cm 处的3.84 % 降低至 15−20 cm处的2.47 %）及游离氧化铁含量在逐步下降（从0−5 cm 处的142.25 mg kg⁻¹降低至15−20 cm处的 110.66 mg kg⁻¹）。为了检验灭菌过程的影响，我们测定了灭菌前后土壤样品的氧化铁和有机质的含量以及zeta电位的变化。灭菌处理提高了土壤表层游离铁氧化物和总有机质含量及zeta电位，但没有改变它们的深度梯度（表3）。据报道，土壤有机质可以通过增加细菌与土壤表面的结合来抑制细菌的运动。有机质有利于细菌团聚体的形成，缩小孔隙尺寸，由此增加对细菌的机械过滤。考虑到土壤有机质不仅能够改变土壤的表面电荷、疏水性和土壤孔隙结构，我们将土壤有机质产生的这种影响归因于土壤有机质导致的静电斥力的降低和机械应变的增加。在本研究的试验条件下（pH=6），铁氧化物具有正电荷。因此，它们可以吸引带负电荷的细菌，导致更少的细菌会突破铁氧化物含量较高的表层土壤。铁氧化物含量的增加也会增加土壤的zeta电位，从而使土壤表面具有更多的正电荷。此外，氧化铁和有机质均可增加土壤表面粗糙度和异质性，从而降低土壤的能量壁垒，提高细菌的截留率。表1表明zeta电位沿土壤深度在降低，导致表层0-5 cm（-17.6 mV）处比15-20 cm（-29 mV）处具有更大的zeta电位。根据表4中估算的XDLVO能量参数Φ_min1，Φ_min2和Φ_max1，zeta电位的增加降低了能垒Φ_max1的高度，导致细菌附着量增加。这是因为土壤zeta电位的增加降低了双电层的能垒，从而增强了细菌在初级和次级极小值的沉积（图3）。此外，Φ_min1的存在表明，扰动土壤0 - 5 cm处存在不可逆的细菌附着，这可能与离子氧化物较多有关。因此，随着zeta电位随沿土壤深度降低，细菌运动性增强。

表3 灭菌过程对土壤性质的影响

表4 扰动土不同深度层Φ_min1，Φ_min2和Φ_max1的估算值

图3不同土壤深度层，土壤-水界面上E. coli 652T7扩展DLVO（XDLVO）相互作用能的估算

2 土壤结构的影响

E.coli 652T7在原状土柱中的迁移率大于在每5cm深度的扰动土柱中的迁移率（图4）。由于同一深度原状土壤与扰动土壤的地球化学性质相似，所以孔隙大小、孔隙连通性和弯曲度为特征的孔隙结构应该是导致细菌穿透差异的主要原因。土壤孔隙结构的三维特性使用X-ray计算机断层扫描（CT）表征，扰动土的孔隙连通密度高于原状土（图5），与每单位体积土壤中孔隙通道的连接点或交叉点的总数呈正相关。这表明在连通密度较高的土壤中，孔隙通道更为曲折（即细菌在运动过程中必须转更多的弯）。由于孔隙的曲折性会增加细菌在土壤中的迁移距离、在微孔中的分散性以及与土壤表面的碰撞，因此细菌在连通密度较高的土壤中的迁移率较低。我们的结果证实了这个假设。扰动土的孔隙连通密度在0-5，5-10，10-15，15-20 cm深度处分别为23763，10396，11188，12273 cm^-3，几乎是原状土同样深度层的两倍（0-5cm：5-10：12996，10-15：5399，4469，15-20：2615 cm⁻³）。因此，0-5 cm处C/C₀的峰值和质量回收率分别由扰动土的0.16增加至原状土的0.36及扰动土的13.3%增加至原状土的31.5%（图4和表2）。0-5 cm原状和扰动土壤剖面的k_att1分别从1488 h ^-1增加到2165 h ^-1, k_det2分别从3.00 h ^-1减少到0.85 h ^-1，支持了C/C₀的峰值和质量回收率的变化趋势。这些结果表明，相对于扰动土柱，原状土柱的流动路径较长，具有一定的大孔流动特征，有利于细菌的迁移和分离。

值得注意的是，与10−15 cm深度（C/C₀为0.07）和15−20 cm深度（C/C₀为0.08）的微小差异相比，在0−5 cm深度处，观察到原状土壤和扰动土壤之间的细菌迁移率存在较大差异（0.20 C/C₀）。这意味着在饱和流动条件下，SOM、氧化铁和土壤结构对细菌迁移的耦合效应。SOM和氧化铁有助于细菌分散到微孔中得以截留，而原状土壤提供大孔隙以促进细菌在土壤中的迁移。土壤有机质和氧化铁含量越高，细菌的迁移率越低，因此原状土壤结构能够表现出更大的影响。相比之下，土壤中较低SOM和氧化铁含量导致细菌迁移率已经很高（例如，15-20 cm的土壤），因此原状土壤结构促进迁移的潜力变得有限。造成SOM/氧化铁与原状土壤结构竞争效应的另一可能机制是SOM/氧化铁在大孔隙中含量较低，而在微孔中含量较高。因此，原状土壤结构暴露于细菌的SOM和铁氧化物较少，从而减少了它们在运输过程中的附着，而土壤扰动增加了细菌在微孔中接触SOM和铁氧化物的机会。根据我们以前对其他土壤的研究，SOM/氧化铁的孔径分布机制是很可能发生的。

图 4 E.coli 652T7在原状土和扰动土不同深度层运动性的比较（a：0-5cm；b：5-10 cm；c：10-15 cm；d：15-20 cm）

图5 原状土和扰动土不同土壤深度的计算机断层扫描（CT）图像。CD为孔隙连通密度（cm^-3），白色区域为土壤孔隙网络。

本文研究结果表明，无论是在扰动土壤还是在原状土壤中，E.coli 652T7的运动迁移量都随着土壤深度的增加而增加。在相同土壤深度剖面内，原状土壤中的细菌截留率低于扰动土壤中的细菌截留率。深度促进迁移与土壤中SOM、氧化铁含量和土壤zeta电位随深度的降低有关。SOM有利于细菌的附着，而土壤扰动促进了细菌的扩散，从而延缓/减少了细菌的迁移。相比之下，原状土壤结构提供了可能含有较低SOM/氧化铁含量的连续流动通道（如大孔隙），从而增加了细菌的流动性。所观察到的SOM/氧化铁与原状土壤结构之间的竞争效应为细菌病原菌通过土壤剖面迁移的减缓提供了重要的见解。例如，雨水会导致浅层土壤饱和，从而触发细菌通过土壤剖面的迁移。耕作可以扰动土壤结构，使土壤在不同深度之间发生混合，从而降低土壤地球化学异质性的深度梯度。通过施用生物炭、肥料和作物残渣进行有机改良是减少浅层土壤细菌迁移的有效措施。添加含铁矿物（如铁尾矿）不仅可以改善土壤团聚体结构，而且可以建立一个屏障，减少细菌病原体的运输。这项研究提供了一个关键土壤参数的初步框架，可应用于评估减少陆地生态系统细菌污染的方案。

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