《Soil and Tillage Research》：Drought-rehydration enhances yield through optimized soil multifunctionality in drip-irrigated spring wheat in arid regions
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通过两年分Plot田间实验，测试在关键生长期（出苗期和拔节期）实施轻度干旱（60-65%田间持水量）并复水对春小麦产量及土壤-微生物-植物互作机制的影响。结果表明T1处理显著提升土壤有机碳（+8.43%）、微生物生物量（+10.19%）及α多样性指数（+12.07%），促进碳氮循环酶活性恢复，使小麦增产1.89-2.32%和净收益提升10.19-12.07%。抗旱品种XC6比XC22增效更显著，证实品种选择可放大干旱-复水策略的生态经济效益。该策略在干旱区可持续生产中具有应用潜力，但需长期监测生态效益持续性。
王荣荣|史光|毕书婷|车志强|马一玲|蒋桂英|刘建国
新疆石河子大学农学院，石河子，832003，中国
摘要
干旱-复水循环是干旱农业生态系统中土壤生物地球化学过程的关键驱动因素，然而在这些条件下调节土壤-微生物-植物相互作用的机制仍不完全清楚。我们假设在关键物候阶段施加轻度干旱可以刺激土壤生物化学过程和微生物活性，从而支持春小麦的生产力和经济效益。为了验证这一假设，我们进行了一项为期两年的分割区田间试验，使用了耐旱品种（新春6号，XC 6）和敏感品种（新春22号，XC 22），并在分蘖期（T）和拔节期（J）施加干旱。根据田间持水量（FC）建立了三种灌溉制度：正常灌溉（75–80% FC，CK）、轻度干旱（60–65% FC，T1和J1）和中度干旱（45–50% FC，T2和J2），每种制度持续7天后进行复水。在分蘖期施加的轻度干旱（T1）在复水后产生了最明显的积极效果。与CK相比，T1显著改善了土壤化学性质，增强了与碳和氮循环相关的关键酶活性，并增加了微生物生物量。T1下的微生物α多样性也有所提高，表明群落稳定性和功能冗余性得到改善。复水后，增强的微生物活性可能加速了养分矿化，从而支持干物质的恢复和向籽粒的分配。结果，籽粒产量增加了1.89–2.32%，净收入增加了10.19–12.07%。耐旱品种XC 6始终显示出比XC 22更大的农艺和经济效益，表明品种选择可以放大轻度干旱-复水管理的积极效果。总体而言，在分蘖期施加轻度干旱后进行复水是一种节水灌溉策略，可以在保持产量的同时增强土壤生物化学功能和系统韧性。这种方法为干旱地区的可持续春小麦生产提供了一条实际途径，尽管需要长期监测来评估这些生态效益的持久性。
引言
在全球气候变化的背景下，降水量减少和蒸发蒸腾量增加正在加速干旱地区的扩张，加剧了土壤水分亏缺和生态脆弱性（Lal等人，2023年；Yu等人，2023年）。干旱胁迫不仅抑制了春小麦（Triticum aestivum L.）的生理代谢和生长，还通过改变土壤物理结构（例如，团聚体稳定性降低）、化学性质（例如，pH值升高）和生物过程（例如，微生物活性减弱）重塑了根际环境（Yang等人，2019年；Fang等人，2023年；Saha等人，2020年）。随着土壤退化和微生物失衡的累积，土壤生态系统的缓冲能力下降，进一步放大了“水分亏缺 - 土壤功能丧失 - 产量减少”的负反馈循环（Corato等人，2024年）。从生态学角度来看，这些变化不仅威胁到作物表现，还威胁到生态系统服务的稳定性，如养分循环、土壤碳维持和地下生物多样性。微生物在调节这些过程中起着核心作用，控制着碳-氮转化、植物激素合成和胁迫信号通路，这些过程是植物韧性和土壤生态多功能性的基础（Liu等人，2025年；Roy等人，2021年）。因此，揭示干旱条件下土壤-微生物-小麦相互作用的机制对于提高作物抗逆性、优化水资源管理策略和促进生态韧性农业生态系统至关重要——这有助于实现保障粮食安全和增强长期生态系统可持续性的双重目标。
土壤酶在土壤能量流动和生物地球化学循环中起着关键催化作用，其活性动态直接影响养分转化效率和作物生产力（Fanin等人，2022年；Burns等人，2013年）。在这些酶中，蔗糖酶（SC）——一种可靠的土壤碳转化指标——通常在中等水分亏缺条件下得到刺激，从而促进碳底物的动员并增强田间作物的养分吸收（Seo等人，2015年）。然而，长期干旱会抑制SC活性，从而阻碍碳循环并减少地上生物量的积累。复水后3–7天内SC活性的部分恢复可以改善土壤碳的有效性，并促进干物质向籽粒或块茎等重要器官的分配（Kivlin和Treseder，2014年）。脲酶（URE）是土壤氮循环中的限速酶，对干旱胁迫非常敏感（Ning等人，2024年）。在严重水分亏缺条件下，URE活性下降40–60%，导致氮矿化减少12–18%，植物可利用氮减少（Sardans和Pe?uelas，2005年）。尽管短期复水可以暂时恢复脲酶介导的氨化作用，但完全的酶活性恢复取决于三个农艺因素：（1）足够的土壤有机质含量（Roscoe等人，2000年）；（2）更高的微生物活性（Yang等人，2023年）；（3）与作物关键物候阶段相匹配的灌溉安排（Kongchum等人，2024年）。
土壤微生物生物量（SMB），包括微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN），在干旱和复水事件中表现出显著变化（Tuo等人，2023年）。在干旱期间，微生物活性和生物量通常会下降，MBC和MBN的减少会减缓养分转化，限制植物生长，最终抑制产量（Romero-Trigueros等人，2021年）。例如，在冬小麦系统中，灌溉减少会导致MBN显著下降，直接限制氮的有效性，从而限制干物质的积累和作物发育。然而，复水后，MBC和MBN通常会恢复，MBN水平可恢复到干旱前的70–90%（Ma等人，2024年；Qu等人，2023年）。这种快速的微生物反弹增强了养分的有效性，并支持干旱后的植物恢复和生长（Oram等人，2023年）。水分亏缺不仅改变了土壤微生物群落的丰度和多样性，还通过影响微生物功能多样性来调节作物生长和发育（Prudent等人，2020年；Xi等人，2023年）。例如，间歇性灌溉在稻田系统中已被证明可以增强微生物功能多样性，这与土壤养分有效性的提高和作物干物质积累的增加呈正相关。复水后，微生物活性迅速恢复，促进了先前被保护的有机物的释放（He等人，2022年）。这种微生物激活增强了养分矿化，从而支持植物干物质生产的恢复。
滴灌提供了精确的水分输送，减少了养分损失，并有助于在干旱种植系统中保持土壤结构（Hou等人，2023年；Lu等人，2021年；Ning等人，2023年）。然而，它在干旱-复水循环期间调节根区（0–60厘米）土壤物理、化学和微生物恢复的作用仍不清楚。先前的研究表明，轻度干旱可以维持产量并刺激微生物活性（Kheir等人，2021年；Elsayed等人，2025年），但大多数研究依赖于单一品种，忽略了基因型特定的干旱反应。尽管经常测量微生物多样性，但将微生物特征与土壤功能、产量形成、水分生产力和净收入联系起来的综合评估仍然缺乏。因此，将土壤-微生物相互作用与亏缺灌溉下的农艺和生态结果联系起来的机制仍不明确。干旱的新疆严重依赖滴灌，因此有必要确定能够维持生产力同时增强土壤生物功能和生态系统韧性的灌溉策略。为此，我们使用了两种耐旱性不同的春小麦品种，并在分蘖期和拔节期施加了可控的干旱-复水事件。本研究旨在：（i）量化干旱-复水循环期间土壤物理化学性质的时间和深度依赖性（0–60厘米）变化；（ii）评估两种耐旱性不同的春小麦品种的根际微生物多样性对水分波动的反应；（iii）确定土壤性质和微生物特征如何共同调节干物质分配、产量、水分生产力和净收入。基于这些目标，我们假设在关键物候阶段施加轻度干旱将激活微生物生物量、酶活性和微生物多样性，从而改善土壤多功能性并增强农艺和经济表现。研究结果为提高土壤生态功能、增强微生物介导的韧性和支持干旱农业生态系统的可持续水资源管理提供了指导。
实验地点和气候
实验于2023年和2024年在石河子大学（中国新疆维吾尔自治区）的农学实验站（85°59′ E，44°18′ N）进行。实验土壤被归类为灌溉灰漠土，质地为粉壤土。该地区具有温带大陆性气候，辐射强且降雨量低。图1显示了每日最高温度、最低温度和降雨量。播种前0–60厘米土壤的物理和化学性质如下
土壤物理化学性质
总碳（TOC）、有机质（DOC）、总氮（TN）、可溶性氮（DON）和碱解氮（AP）在0–20厘米土层中的浓度最高，其次是20–40厘米和40–60厘米土层（图3）。与CK相比，T1处理显著增加了TOC、DOC、TN、DON和AP（p p 讨论
本研究表明，在分蘖期施加轻度干旱（T1，60–65% FC），随后进行复水，有效增强了土壤-微生物-植物之间的协同作用，从而提高了春小麦的产量和经济效益。讨论集中在三个方面：土壤物理化学性质改善与微生物活性之间的协同作用、微生物多样性对水分利用效率和土壤生态功能的影响，以及农艺措施的整合
结论
本研究表明，在分蘖期施加轻度干旱（T1，60–65% FC），随后进行复水，与滴灌春小麦的土壤-微生物-植物相互作用的增强以及农艺和经济表现的改善有关。与我们的假设一致，T1处理伴随着土壤化学性质的改善、关键土壤酶活性的提高以及微生物生物量和α多样性的增加，表明土壤具有更高的功能冗余性和稳定性
作者贡献声明
蒋桂英：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、方法学、资金获取、概念化。刘建国：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、方法学、资金获取、概念化。车志强：验证、调查、数据管理、概念化。马一玲：调查、数据分析、概念化。史光：验证、方法学、调查、数据分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢审稿人帮助我们改进了原始手稿。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32060422）项目的支持。
