长期覆膜滴灌通过改善土壤质量、微生物群落结构和氮转化提升棉花产量的机制研究

为解决长期棉花种植中土壤质量退化及氮利用效率低下的问题，研究人员系统研究了不同种植年限下土壤理化性质、微生物群落动态及氮转化途径的演变规律。结果表明，22年长期种植显著提高棉花产量（13.60%）和存活率（10.04%），并通过促进真菌驱动的氮循环（如上调真菌谷氨酸合成基因）和抑制细菌反硝化作用优化氮代谢。该研究为干旱区农业可持续发展提供了理论依据。

　　

棉花作为全球重要的经济作物，其产量与土壤健康密切相关。在干旱半干旱地区如中国新疆（占全国棉花产量的85%以上），长期覆膜滴灌技术虽能节水增产，但伴随种植年限延长，土壤盐渍化、微生物群落失衡及氮素流失等问题日益突出。以往研究多聚焦短期效应，对长期种植下土壤-微生物-作物互作机制的认识仍存在巨大空白。

为解决这一难题，来自石河子大学的研究团队以未开垦荒地为对照，系统分析了8-22年不同种植年限棉田的土壤特性、微生物组及氮代谢功能基因的动态变化。研究发现，长期种植显著改善土壤结构：22年棉田的盐分下降94.8%，总碳（TC）和总氮（TN）含量分别比荒地提高0.93%和11倍。更重要的是，微生物群落发生功能性转变——真菌多样性（如Mortierellomycota）与棉花产量呈强正相关，其驱动的谷氨酸合成（Glutamate synthase）和氨化作用（Ammonification）基因表达上调；而细菌的反硝化（Denitrification）相关基因（如Nitrite reductase）被抑制，有效减少氮素气态损失。这些发现揭示了微生物调控氮循环的关键作用，论文发表于《Agricultural Water Management》。

研究采用多组学联用策略：通过Illumina NovaSeq平台对土壤微生物16S rRNA（细菌）和ITS1（真菌）区域进行高通量测序；结合土壤理化分析（如电位法测电导率、氯仿熏蒸法测微生物生物量碳MBC）和功能基因预测（如KEGG注释氮代谢通路）；采用冗余分析（RDA）和结构方程模型（PLS-SEM）解析环境因子-微生物-产量的关联网络。

研究结果可分为五个核心发现：

1. 棉花产量与土壤理化性质
   22年棉田的棉花存活率和产量分别达89.55%和5525.94 kg/hm²，土壤孔隙度和含水率（WC）较荒地提升19%-86%，而容重（BD）降低至1.37-1.55 g/cm³。盐分脱除率与残膜密度（RMD）呈正相关，表明覆膜滴灌协同缓解盐渍化。

2. 微生物多样性演变
   α多样性分析显示，棉田真菌Chao1指数较荒地提升114.15%，细菌OTUs（操作分类单元）增加238.8%。Ascomycota（子囊菌门）相对丰度从75.78%降至60.92%，而具有促生功能的Mortierellomycota（被孢霉门）增加至18.07%。

3. 氮代谢功能重塑
   宏基因组分析揭示，0-20 cm土层细菌固氮酶（Nitrogenase）基因表达上调2.1倍，而真菌在20-40 cm土层的谷氨酸脱氢酶（Glutamate dehydrogenase）活性提升3.8倍，表明深层土壤中真菌主导氮同化。

4. 核心微生物模块
   共现网络识别出以Mortierella（被孢霉属）和Streptomyces（链霉菌属）为核心的正互作模块，其丰度与氨化酶活性（R=0.82, P<0.01）及棉花产量显著相关。

5. 生态机制解析
   PLS-SEM模型证实，种植年限通过改善土壤物理性质（路径系数=0.63）和化学性质（0.57）间接调控微生物功能，其中真菌谷氨酸合成对产量的贡献（0.41）远超细菌反硝化作用的负效应（-0.38）。

讨论部分强调，该研究首次阐明长期种植下真菌与细菌在氮循环中的功能分异：真菌通过增强氮保留（如谷氨酸合成）提升作物利用效率，而细菌反硝化作用的抑制减少了氮损失。这一发现为优化水肥管理提供了微生物靶点，例如通过接种Mortierella等促生菌株强化生物固氮。研究同时警示，16年后土壤容重回升可能与残膜积累有关，建议结合可降解地膜技术以维持土壤健康。

该研究的创新性在于将土壤微生物功能与作物表型直接关联，突破了传统农业研究仅关注环境因子的局限。未来研究可进一步解析关键菌株（如Talaromyces）的分子机制，为设计微生物-作物协同增效的智能农业系统奠定基础。