植物根系促生菌对土壤水力特性和蒸发的影响机制

A key challenge to secure food availability in China or globally is water shortage and degradation. Recent research illustrates that plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) increase crops’ productivity by increasing drought tolerance of the crops, and the mechanisms of RGPR’s effects are explored in the viewpoint of plant physiology. Recent studies of biofilm indicate that it can change the microenviroment of soil and increase the water-holding capacity of soil thus potentially increase the water use efficiency. However, the mechanistic understanding of how biofilm changes the soil’s water status is lacking. This proposal focuses on how biofilm changes soil hydraulic conductivity and soil water evaporation through modifying soil’s pore structure and physical-chemical properties by combining basis of soil physics and computational fluid dynamics. Ultimately, this proposal seeks to deepen our understanding of how microbes (e.g., bacteria) influence soil physical properties/processes and to develop biotechnologies using the soil microbiome as resources to combat food security challenges associated with global water shortage.

日益严重的水资源短缺问题威胁着中国甚至全球的粮食安全。最新研究表明植物根际促生菌可以提高作物的抗逆性（比如抗旱）从而提高作物产量，但对植物根际促生菌促进作物生长机理的研究多从植物生理的角度开展。研究同时表明这些促生菌产生的生物膜可改变土壤微水文环境，提高土壤的持水能力，增加作物的水分利用率进而促进植物生长。然而从土壤的角度，对促生菌影响土壤中植物可利用水分的机理认识仍然不足。本研究拟通过结合土壤物理学和计算流体力学方法，探索促生菌产生的生物膜如何通过改变土壤孔隙结构和表面物理化学性质而改变土壤水力特征和土壤水分蒸发。一方面加深对（微）生物影响土壤物理过程机制的认识，另一方面为应用生物技术修复土壤提供新思路。

日益严重的水资源短缺问题威胁着中国甚至全球的粮食安全。最新研究表明植物根际促生菌可以提高作物的抗逆性（比如抗旱）从而提高作物产量，但对植物根际促生菌促进作物生长机理的研究多从植物生理的角度开展。研究同时表明这些促生菌产生的生物膜可改变土壤微水文环境，提高土壤的持水能力，增加作物的水分利用率进而促进植物生长。然而从土壤的角度，对促生菌影响土壤中植物可利用水分的机理认识仍然不足。本研究通过结合土壤物理学和计算流体力学方法，探索促生菌产生的生物膜如何通过改变土壤孔隙结构和表面物理化学性质而改变土壤水力特征和土壤水分蒸发。通过该项目的实施，我们首次提出了细菌胞外分泌物对土壤水力特征和蒸发的影响主要体现在对土壤溶液表面张力系数和溶液粘度的改变，溶液表面张力系数决定了土壤孔隙中水分的毛管力，溶液粘度影响了流体摩擦阻力。我们同时提出，胞外分泌物含有的表面活性类物质降低表面张力，因此降低了土壤的保水性；而溶液粘度的增加，更不利于在土壤排水（气驱水）的过程中被气体置换。我们多角度地探索了两种效应对土壤水分运移的影响。（1）使用模式胞外分泌物黄原胶的研究结果和孔隙尺度数值模拟的结果联合发表在Water Resource Research（10.1029/2022WR032845）；（2）使用枯草芽孢杆菌的研究结果已投稿Vadose Zone Journal在审；（3）使用TPSM的模拟结果发表在Vadose Zone Journal（10.1002/vzj2.20071）；（4）对于土壤水力特性和蒸发过程的建模与野外观测发表在Vadose Zone Journal（10.1002/vzj2.20065），European Journal of Soil Science （10.1111/ejss.13229）和Marine Pollution Bulletin （10.1016/j.marpolbul.2022.114373）。研究结果一方面加深对（微）生物影响土壤物理过程机制的认识，另一方面为应用生物技术修复土壤提供新思路。