复合微生物肥料配施黄腐酸钾对新疆盐碱土棉花产量、根际微生物群落及土壤理化性质的调控效应

《Scientific Reports》：Effects of compound microbial fertilizer combined with potassium fulvic acid on soil physicochemical properties, microbial community structure, and cotton productivity in saline-alkali soil

　　

为探究复合微生物肥料（含Lactobacillus acidophilus和Corynebacterium glutamicum）联合黄腐酸钾（potassium fulvic acid）对新疆盐碱土棉花生长及土壤生态的影响，研究人员采用随机区组设计（randomized block design, RBD）开展为期两年的七处理田间试验。研究人员分析了棉花出苗率（emergence rate）、产量构成（yield components）、根际土壤（rhizosphere soil）理化性质（physicochemical properties）（pH、水溶性盐、主要离子），并采用高通量测序（high-throughput sequencing, HTS）分析土壤微生物群落结构（microbial community structure）。结果表明，HT5（150 L·hm^?2微生物肥料＋15 L·hm^?2黄腐酸钾）显著提高棉花出苗率至85.00%。与仅施黄腐酸钾的对照相比，HT4（120 L·hm^?2微生物肥料＋15 L·hm^?2黄腐酸钾）获得最高增产率13.31%。微生物肥料施用有效降低土壤pH、水溶性盐、Cl^?和Na⁺含量，且改良效果随施用量增加而增强。各处理间细菌多样性相对稳定，而真菌多样性及Pseudeurotium和Mortierella等有益真菌相对丰度显著增加。总体而言，复合微生物肥料联合黄腐酸钾改善了盐碱条件下土壤理化状况，优化了根际微生物群落结构，并促进棉花生长和产量提高。在本试验条件下，HT4处理被确定为最佳施用方案，为新疆盐碱土棉花优质高产提供了可行策略。

论文主体解读

研究背景方面，盐碱化严重制约干旱和半干旱地区农业，全球受盐碱化影响土地超过9.50亿公顷，并持续扩大。盐碱土通常具有高盐、异常pH和养分有效性低等特点，抑制植物正常生长发育。复合微生物肥料因可调节土壤生态功能、促进作物生长和增强抗逆性而成为农业生态改良研究热点，其主要由植物促生根际细菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR）、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）等功能微生物组成。Lactobacillus acidophilus和Corynebacterium glutamicum在盐碱改良中表现突出。微生物菌剂可通过有机酸等代谢物中和碱性、降低土壤pH、电导率（electrical conductivity, EC）和水溶性盐含量，并提高有机质及速效氮、磷、钾含量；还可分泌胞外聚合物促进团聚体形成和稳定，提高脲酶、磷酸酶等关键酶活性，并通过调控根际微生态增强植物耐盐性。棉花是重要经济作物，新疆盐碱土严重限制棉花生产力，常造成出苗率低、植株生长慢、产量下降和纤维品质降低，尤其在“干播湿出”棉田，土壤质量退化进一步加重出苗障碍。因此，研究人员系统探讨复合微生物肥料配施黄腐酸钾对棉花出苗率、产量、土壤微生物多样性和理化性质的影响，以阐明其促苗增产机制，并为盐碱地棉花生产提供理论和技术依据。

关键技术方法概述：研究人员于2023—2024年在新疆铁门关市29团盐碱棉田，以当地主栽棉花品种43541为材料，采用随机区组设计设置7个处理、3次重复，小区面积0.033 hm²，栽培管理一致。复合微生物肥料含Lactobacillus acidophilus和Corynebacterium glutamicum，由浙江森井生物科技有限公司提供；高通量测序由上海美吉生物医药科技有限公司完成。研究调查出苗率、产量构成；出苗后采用五点法采集0—20 cm根际土；用16S rRNA基因V3-V4区和ITS1区测序分析细菌和真菌群落；测定pH、水溶性盐及主要离子；采用ANOVA、Duncan检验、PCoA、PERMANOVA、RDA和Pearson相关分析。

研究结果

复合微生物肥料对棉花出苗率和产量的影响。通过田间出苗调查发现，复合微生物肥料施用量与棉花出苗率呈正相关。HT3处理出苗率80.56%，显著高于对照H；HT5处理出苗率85.00%，显著高于对照H和S处理，说明适量复合微生物肥料可缓解盐碱胁迫对出苗的抑制。通过产量及产量构成调查发现，施用复合微生物肥料后，单株铃数和单铃重不同程度增加；S和HT5单株铃数显著高于H，S、HT1、HT2、HT3和HT4单铃重显著高于H。产量方面，S较H增产9.35%，HT4增产效果最佳，较仅施黄腐酸钾对照H增产13.31%，HT5增产3.97%。结果表明，单施复合微生物肥料或与黄腐酸钾配施均可提高棉花产量，合理配施效果更好。

土壤细菌多样性分析。通过OTU总数和Alpha多样性分析发现，与H相比，HT1、HT3和HT4细菌OTU总数略降，HT2和HT5略增，总体变化较小，表明复合微生物肥料对细菌物种丰富度影响较温和。Shannon和Chao指数在各处理与对照间无显著差异；HT3的Simpson指数显著升高，HT4、HT5和S的Simpson指数略降，说明特定施用量下对群落多样性有一定影响。通过群落组成分析发现，门水平以Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteriota和Myxococcota为主，合计相对丰度超过70%；科水平以Bacillaceae、Micrococcaceae和Pseudomonadaceae为主。以科水平OTU丰度≥500为阈值，HT4和HT5中Pseudomonadaceae、Planococcaceae和Flavobacteriaceae相对丰度显著下降，Sphingomonadaceae、Vicinamibacterales和JG30-KF-CM45略增。属水平以Pseudarthrobacter、Vicinamibacterales等为主，HT4中Sphingomonas等有益菌相对丰度较高，可能与该处理最高产量有关。时间动态显示，施用1年后Pseudarthrobacter和Bacillus相对丰度较高，施用2年后Vicinamibacterales、Actinomarinales等增加，表明其影响具有一定时间连续性。

土壤真菌多样性分析。通过真菌OTU总数分析发现，施用复合微生物肥料后各处理真菌OTU总数显著高于H，表明可明显提高真菌物种丰富度。Alpha多样性显示，各处理Shannon和Chao指数高于H，HT4和HT5增加更明显且与对照差异显著；Simpson指数低于H，HT4和HT5下降更明显，说明复合微生物肥料显著促进土壤真菌多样性。群落组成上，门水平以Ascomycota、Mortierellomycota和Basidiomycota为主，Ascomycota相对丰度占60%—80%；HT3存在明显误差，其Ascomycota约60%，低于同处理其他重复，而Basidiomycota约30%，提示土壤微环境异质性。科水平以Pseudeurotiaceae、Pyronemataceae和Microascaceae为主，Pseudeurotiaceae占优势；与对照相比，多数处理中Pyronemataceae和Aspergillaceae相对丰度显著下降，Microascaceae和Mortierellaceae略增。属水平以Pseudeurotium、Lophotrichus、Cladosporium等为主，HT4中Pseudeurotium丰度最高，Mortierella等有益真菌相对丰度也高于其他处理，可能与该处理改良土壤和促进棉花生长效果最佳有关。

复合微生物肥料对土壤理化性质的影响。土壤pH值方面，0—20 cm和20—40 cm土层趋势基本一致；与H相比，各处理pH略降，HT5降幅最大，达0.1以上，说明益生菌代谢产生有机酸，可改善弱碱性土壤，提高养分有效性。土壤水溶性盐方面，试验土属极重度盐化土壤，0—20 cm和20—40 cm变化趋势一致；与H相比，多数处理水溶性盐含量下降。HT5较H显著降低pH 0.12±0.03个单位，使0—20 cm水溶性盐含量降低12.5%，20—40 cm降低10.8%；Cl^?和Na⁺分别降低18.3%和15.6%；改良顺序为HT5＞HT4＞HT3＞HT2＞HT1＞S＞H。土壤阴离子方面，0—20 cm和20—40 cm趋势基本一致，阴离子含量为SO₄^2?＞Cl^?＞HCO₃^?；与H相比，HCO₃^?和SO₄^2?无显著变化，Cl^?显著下降，且下降幅度与复合微生物肥料施用量正相关，说明降低水溶性盐主要与Cl^?下降有关。土壤阳离子方面，0—20 cm和20—40 cm趋势基本一致，阳离子含量为Ca²⁺＞Na⁺＞Mg²⁺＞K⁺；与H相比，K⁺无显著变化，Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺有不同程度变化；当复合微生物肥料施用量≥60 L·hm^?2时，Na显著降低，说明降盐效果也与Na下降密切相关，有利于缓解棉花盐胁迫损伤。

讨论部分总结。关于出苗和产量响应，研究人员观察到HT5出苗率最高，而HT4籽棉产量最高，说明最高施用量并非最终棉花生产力最优。高剂量微生物肥料可在早期有效缓解盐碱胁迫、促进萌发和出苗，但过量微生物输入可能加剧根际微生物竞争、造成养分固定，或不能进一步促进生殖生长和铃发育。HT4在微生物功能活性、土壤化学改良、养分释放和植物吸收之间达到较好平衡。出苗率仅代表早期生长能力，最终产量由单株铃数、单铃重和生殖效率共同决定，这解释了出苗率与产量不一致的现象。关于盐碱土化学性质改良，Lactobacillus acidophilus和Corynebacterium glutamicum等益生菌可能通过代谢产生有机酸中和碱度、降低pH，提高磷、铁等养分有效性；繁殖过程中形成生物膜，可能固定或降低Na⁺和Cl^?有效性，减少离子对棉花根系直接毒性；还可能分泌生长素、细胞分裂素等植物激素，促进芽分化和铃发育，增加单株铃数和单铃重。HT4增产最佳表明复合微生物肥料与黄腐酸钾具有协同作用，黄腐酸钾可能改善团聚体结构，增强保水保肥能力，并为益生菌提供更适微环境。土壤微生物群落方面，复合微生物肥料对细菌多样性影响温和，但显著提高真菌多样性，可能与真菌对土壤环境变化更敏感、更依赖有机碳源、对pH和盐度变化具有较宽生态位适应有关。pH下降和水溶性盐降低为真菌繁殖提供有利生境，黄腐酸钾提供易分解碳底物，促进腐生真菌生长。Mortierella和Pseudeurotium等有益真菌富集有助于养分矿化、养分循环和根系生长。真菌多样性增加并非与棉花产量直接线性相关，而是通过改善根际微环境、理化性质和养分有效性间接提高产量。Sphingomonas和Mortierellaceae等有益类群增加，可降解污染物、分泌植物生长激素并抑制病原菌。同时Pseudomonas和Pyronemataceae等下降，可能与菌肥改变碳氮比和pH等环境条件有关。随施用时间延长，群落组成持续变化，表明复合微生物肥料对土壤微生态具有长期调控作用。综合土壤—微生物—植物机制，益生菌产生的有机酸可中和碱度，并与Na⁺结合形成可溶性钠盐，在灌溉淋洗下进入深层土壤，减少表层盐积累；有机质增加可提高土壤胶体吸附能力，增强有害离子固定，降低盐渍化程度。0—20 cm与20—40 cm改良效果基本一致，说明其在土壤剖面中具有较好扩散性，可改善棉花根区环境。研究局限包括未设空白对照（CK：0微生物肥料＋0黄腐酸钾），尚未探索微生物功能基因，缺乏棉花生长生理生化指标动态监测，试验周期较短。未来可开展长期定位试验，结合宏基因组学、转录组学等技术，深入解析分子机制。

研究结论翻译：（1）施用复合微生物肥料可显著提高盐碱地棉花出苗率和产量。HT5出苗率最高，为85.00%；HT4（复合微生物肥料120 L·hm^?2＋黄腐酸钾15 L·hm^?2）增产效果最佳，增产率为13.31%，复合微生物肥料与黄腐酸钾具有协同效应。（2）复合微生物肥料可有效改善盐碱土理化性质，降低土壤pH、水溶性盐、Cl^?和Na⁺含量，改良效果与施用量正相关，且0—20 cm和20—40 cm土层改良效果一致。（3）复合微生物肥料对土壤微生物多样性具有选择性调控作用：对细菌多样性影响温和，仅使部分科和属相对丰度轻微变化；但可显著提高真菌多样性和物种丰富度，并促进Pseudeurotium和Mortierella等有益真菌群生长。（4）通过改善土壤理化性质和调控微生物群落结构，复合微生物肥料为棉花生长创造适宜土壤环境，从而缓解盐碱胁迫损伤并提高棉花生产效率。因此，复合微生物肥料是提高新疆盐碱农田棉花生长和产量的有前景技术途径；本研究中120 L·hm^?2复合微生物肥料与15 L·hm^?2黄腐酸钾组合表现较优，但大规模田间推广前仍需多年多点试验确认其适用性。