微团聚体尺度下咸水灌溉对绿洲棉田土壤碳矿化与微生物群落的调控机制

本研究针对干旱区淡水资源短缺而咸水灌溉日益普及的现状，聚焦咸水灌溉对土壤团聚体尺度碳固存与微生物过程的潜在风险。通过四年田间试验，揭示了不同盐度灌溉下土壤盐基离子、碳组分及微生物群落的分异规律，明确了微生物多样性对盐度的响应阈值，为优化绿洲农业咸水灌溉管理、维持土壤健康与可持续生产提供了关键科学依据。

　　

在全球淡水资源日益紧缺的背景下，利用咸水进行灌溉已成为干旱地区农业生产的现实选择。新疆作为中国最重要的棉花生产基地，广泛采用覆膜滴灌技术并依赖有限的淡水资源，开发地下咸水资源成为缓解水资源压力的关键途径。然而，咸水灌溉在解决水源问题的同时，也带来了不可忽视的生态风险——盐分携带的钠离子（Na?）等盐基离子在土壤表层积累，可能破坏珍贵的土壤团聚体结构，加速土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）的矿化分解，进而威胁土壤健康和农业系统的长期可持续性。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，被视为有机碳固定的“保险箱”，其不同粒径（如>2毫米的大团聚体和<0.25毫米的微团聚体）为微生物提供了迥异的生存环境。那么，咸水灌溉究竟如何影响这些微观“家园”中的碳循环过程和微生物“居民”？其影响是否在不同大小的团聚体中存在差异？为了回答这些问题，石河子大学的Chen Rui、Zhang Jinzhu等研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了他们的研究成果。

研究者们在新疆石河子大学节水灌溉试验站开展了为期四年（2019-2022年）的田间试验。他们设置了四个不同盐度的灌溉处理：CK（对照，0.87 g·L?1）、T1（3 g·L?1）、T2（5 g·L?1）和T3（8 g·L?1），模拟了当地农业系统的典型盐度梯度。试验采用完全随机区组设计，每个处理三次重复，种植棉花（新陆早42号），并统一采用覆膜滴灌和水肥管理措施。研究的关键技术方法包括：1) 采用干筛法（cold-drying method）分离不同粒径的土壤团聚体（>2 mm, 2-1 mm, 1-0.25 mm, <0.25 mm）；2) 运用化学分析法（如滴定法、火焰光度法）测定团聚体中盐基离子（K?, Na?, Ca2?, Mg2?）和不同碳组分（SOC, SIC, LOC, MBC, TC）的含量；3) 通过室内培养（碱性吸收法）测定土壤有机碳矿化速率与累积量；4) 利用Illumina MiSeq高通量测序技术分析不同团聚体中细菌（16S rRNA V5-V7区）和真菌（ITS1区）的群落结构与多样性；5) 综合运用网络分析（Co-occurrence Network Analysis）、冗余分析（RDA）和随机森林模型（Random Forest）等生物信息学与统计方法，深入解析微生物群落与环境因子间的复杂关系。

3.1. 盐基离子与碳组分在土壤团聚体中的变化

研究结果显示，咸水灌溉显著增加了土壤团聚体中的盐基离子含量，且这种积累主要发生在大团聚体（>0.25 mm）中。在盐度最高的T3处理中，>2 mm团聚体的Na?、Ca2?、K?、Mg2?含量达到最高。与之相反，土壤有机碳（SOC）和活性有机碳（LOC）则更富集于结构更为稳定的微团聚体（<0.25 mm）中，其含量比>2 mm团聚体高出43.67%–48.59%。随着灌溉水盐度升高，SOC矿化速率总体呈下降趋势，表明高盐环境抑制了微生物的分解活性。

3.2. 土壤团聚体中的微生物多样性

微生物测序分析揭示了一个有趣的现象：咸水灌溉显著降低了土壤真菌的多样性，但对细菌多样性的影响却不显著。无论是细菌还是真菌，其多样性（α多样性）和群落结构（β多样性）都强烈受到团聚体粒径的影响。最小的微团聚体（<0.25 mm）成为了微生物多样性的“热点”，其真菌丰富度和细菌多样性均为最高。这表明微团聚体的物理保护作用为微生物提供了抵御盐分胁迫的避难所。

3.3. 土壤团聚体中的微生物群落组成

在门水平上，细菌中的变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和真菌中的子囊菌门（Ascomycota）是绝对优势类群。LEfSe分析表明，不同盐度处理下具有显著差异的微生物类群（生物标志物）。例如，放线菌纲（Actinobacteria）下的某些类群是CK处理的标志物，而T3处理则富集了β-变形菌纲（Betaproteobacteria）等。值得注意的是，许多与碳循环密切相关的细菌属（如Arthrobacter, Nocardioides）在淡水灌溉（CK）中更为丰富，而某些真菌属（如Aspergillus, Cladosporium）的丰度则随盐度增加而上升。

3.4. 土壤团聚体中的微生物共现网络

网络分析显示，随着灌溉水盐度升高，细菌群落的网络连接变得更为简单（边密度降低），但关键物种（keystone taxa）的比例增加。这表明盐胁迫虽然削弱了细菌群落的整体互动，却筛选出更具功能重要性的核心物种。真菌群落的网络则未表现出显著变化，显示出比细菌更强的稳定性。此外，在<0.25 mm的微团聚体中，无论是细菌还是真菌，其网络复杂性都是最高的。

3.5. 微生物群落与碳组分的相互关系

冗余分析（RDA）和随机森林模型清晰地表明，土壤有机碳（SOC）、活性有机碳（LOC）、总碳（TC）和钠离子（Na?）是驱动细菌和真菌群落结构变化的最主要环境因子。其中，Na?作为一个强大的环境过滤器，对细菌群落的抑制作用远大于真菌。随机森林模型进一步识别出对碳组分变化最为敏感的微生物类群，如细菌中的Streptomyces, Nocardioides和真菌中的Talaromyces, Acremonium，它们被认为是碳循环过程中的关键物种。

本研究得出结论，咸水灌溉通过引入盐基离子深刻改变了土壤团聚体的生物地球化学过程和微生物生态。其影响具有明显的粒径效应：盐分主要积累于不稳定的大团聚体，而有机碳则更多地保存在稳定的微团聚体中。高盐（>3 g·L?1）灌溉会降低真菌多样性，并简化微生物互作网络，但细菌群落通过提高关键物种比例来维持功能弹性。微生物群落的变化主要受SOC、LOC和Na?的驱动。基于对微生物多样性和组成稳定性的综合效应，研究推荐将灌溉水盐度的阈值设定在≤3 g·L?1，以期在缓解干旱区水资源短缺的同时，最大限度地维持棉田土壤生态系统的健康与生产力。该研究为绿洲农业咸水资源的科学利用提供了一个关键的盐度管理阈值和理论依据，对保障干旱区农业的可持续发展具有重要意义。