腐植酸与曝气协同调控：通过改善节水膜下滴灌土壤环境提高加工番茄产量

《Agricultural Water Management》：Synergistic regulation of humic acid and aeration: Enhancing yield of processing tomato by improving soil environment under water-saving mulched drip irrigation

本研究针对长期膜下滴灌导致的土壤质量退化问题，开展了腐植酸(HA)与曝气协同调控对加工番茄产量提升机制的研究。通过两年田间试验发现，微纳米曝气(A2)下添加0.5%腐植酸(H3)可显著提高土壤NH4+-N(46.21-51.49%)、TN(47.07-47.42%)和TC(18.72-21.79%)含量，增强土壤酶活性，改善微生物群落结构，最终使番茄产量达到313.92 t/ha。该研究为干旱区水资源高效利用和农业可持续发展提供了重要技术支撑。

　　

在新疆这片广袤的干旱土地上，加工番茄产业正面临着严峻挑战。作为中国最大的加工番茄生产基地，新疆贡献了全国近90%的番茄产量，但这里的水资源极度匮乏，农业用水占总用水量的80%以上。更令人担忧的是，长期采用节水灌溉技术虽然缓解了水资源压力，却可能带来土壤质量退化的潜在风险。

膜下滴灌技术确实能在减少灌溉用水的同时显著提高作物产量，但这种技术长期应用后，土壤环境会发生什么变化？特别是在干旱条件下，如何实现水、肥、气的协同调控，成为改善土壤质量、提升作物生产力的关键科学问题。以往的研究多集中于水肥或肥气双因子交互作用，而对水-肥-气一体化协同调控的潜力关注不足。

正是在这样的背景下，石河子大学水利建筑工程学院的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了他们的最新研究成果。他们创新性地将微纳米曝气技术与腐植酸施肥相结合，在新疆干旱区开展了为期两年的田间试验，系统探究了这种协同调控策略对加工番茄土壤环境及产量的影响机制。

研究团队采用了严谨的田间试验设计，在新疆石河子大学节水灌溉实验站完成了2023-2024年两个种植季的试验。他们设置了3个腐植酸添加水平（0%、0.25%、0.5%）和3种曝气方式（未曝气5 mg/L、微纳米曝气18 mg/L、文丘里曝气9 mg/L），共9个处理组合，每个处理重复3次。试验采用当地常规灌溉量450 mm，栽培模式为"一膜两管四行"的膜下滴灌布局。

关键技术方法包括：采用微纳米气泡发生器（TL-MBG50-A型）和文丘里管（Mazzei 1078）实现不同曝气处理；使用多参数电化学水质检测仪（HQ30D）监测水中溶解氧浓度；通过全自动间断化学分析仪（Cleverchem 380）测定土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N含量；利用碳氮分析仪（CN802）测量总氮(TN)和总碳(TC)含量；采用土壤酶活性检测试剂盒测定脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶(CAT)和硝酸还原酶(NR)活性；通过16S_V3V4和ITS_2测序分析细菌和真菌微生物丰度。

3.1 根际土壤生化特性

研究发现，腐植酸单因子处理显著影响所有土壤养分指标。随着腐植酸用量的增加，土壤NH₄⁺-N、全氮(TN)和总碳(TC)含量均呈现上升趋势。与H1处理相比，H3处理使NH₄⁺-N增加18.35-46.81%，TN增加8.43-15.38%，TC增加7.35-10.65%。相反，NO₃^--N含量随腐植酸用量增加而显著降低。所有测定参数在微纳米曝气(A2)条件下达到峰值，土壤pH值随腐植酸施用而降低。

3.2 土壤酶活性和微生物组成

腐植酸显著增强了硝酸还原酶(NR)和蔗糖酶活性，但抑制了脲酶活性。曝气显著提高了过氧化氢酶(CAT)和脲酶活性。微生物群落分析显示，腐植酸施用显著增加了除绿弯菌门(Chloroflexi)外所有优势细菌门的相对丰度，微纳米曝气同样提高了优势细菌的丰度。在真菌群落中，腐植酸显著增加了座囊菌纲(Dothideomycetes)和盘菌纲(Pezizomycetes)的相对丰度。

3.3 土壤微生物群落与环境因子的关系

冗余分析(RDA)表明，影响加工番茄根际土壤细菌群落变化的关键环境因子为TC、NR、NO₃^--N、NH₄⁺-N和蔗糖酶；影响真菌群落的关键因子为TC、NO₃^--N、NH₄⁺-N、NR和CAT。结构方程模型(SEM)分析显示，腐植酸和曝气通过影响土壤养分，间接调控酶活性和微生物群落。

3.4 产量表现

腐植酸和曝气的单因子效应及二者交互作用均显著影响产量。加工番茄产量随腐植酸用量增加而提高，在相同腐植酸水平下，微纳米曝气处理的产量最高。H3A2处理获得最高产量313.92 t/ha，单果重量也达到最大值。

3.5 土壤质量评价

土壤质量指数(SQI)分析表明，随着腐植酸用量的增加，SQI逐渐升高，在H3处理达到最大值0.64-0.78。曝气同样改善了SQI，微纳米曝气(A2)下的SQI值最高。H3A2处理的SQI达到0.79，与加工番茄产量呈显著正相关。

研究结论部分强调，在450 mm灌溉量下，0.5%腐植酸与微纳米曝气的协同调控可显著改善根际土壤环境。这种改善体现在土壤养分含量提升、酶活性增强、微生物群落结构优化等方面，最终通过提高土壤质量指数(SQI)实现了产量的大幅提升。放线菌门(Actinobacteriota)和座囊菌纲(Dothideomycetes)可能是改善加工番茄产量的关键微生物类群，而总碳(TC)是影响产量的最重要土壤养分因子。

这项研究的创新之处在于首次将微纳米曝气技术与腐植酸施肥相结合，系统阐明了水-肥-气协同调控对干旱区加工番茄土壤微环境的影响机制。研究不仅证实了这种协同策略在改善土壤质量和提高作物产量方面的双重效益，还通过土壤质量指数与产量之间的正相关关系，为评估农业管理措施的效果提供了科学依据。该研究成果为干旱区水资源高效利用和农业可持续发展提供了重要的理论支撑和技术途径，对类似生态区域的农业生产具有重要的借鉴意义。