腐植酸替代通过调节细菌群落结构改善干旱和盐碱胁迫下的土壤质量与玉米产量

《Applied Soil Ecology》：Humic acid substitution improves soil quality and maize yield under drought and saline–alkaline stress by regulating bacterial community structure

　　

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  在干旱盐碱农田中，腐植酸替代有助于提高土壤质量和玉米产量。
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  腐植酸替代改变了细菌群落结构，其响应因灌溉水平而异。
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  过量施用腐植酸虽能改善土壤质量，但会降低玉米产量和细菌多样性。
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  细菌群落组成将灌溉、腐植酸替代与土壤质量和玉米产量联系起来。

引言

干旱和盐碱化农业生态系统日益受到水资源短缺、土壤盐渍化和大量化学肥料投入的威胁，这些因素共同损害了土壤功能、生态稳定性和作物生产力（Perri et al., 2022; Mahanta et al., 2017）。为在这些脆弱农业生态系统中维持农业生产并减少环境压力，采用节水节肥策略至关重要。然而，减少灌溉和肥料投入也可能限制土壤养分有效性、微生物活性和作物养分吸收，进而损害土壤质量和作物产量（de Vries et al., 2016）。在干旱地区开发兼顾资源保护与土壤生态功能及农业生产力的可持续管理措施，仍是一项重大挑战。

腐植酸（HA）被广泛认为是一种有用的有机改良剂，可在环境胁迫下增强土壤肥力和作物生产力（Rose et al., 2014）。腐脂酸与无机肥料配合施用已被证明能改善土壤性质、提高养分利用效率并增加作物产量（Xu et al., 2025），从而为缓解减少水肥投入条件下的资源限制提供了有前景的策略。与传统肥料直接提供速效养分不同，腐植酸主要通过间接作用影响土壤性质、微生物群落和作物生理（Canellas et al., 2015）。由于腐植酸具有高离子交换容量和丰富的活性官能团，它能改善土壤团粒结构、降低盐碱度、缓冲pH波动，并提高养分保持和有效性（Liu et al., 2023; Xu et al., 2021; Meng et al., 2019）。除了养分调节作用外，腐植酸还能增强作物抗逆性并促进作物生长（Olk et al., 2021）。然而，腐植酸肥料的效果因土壤类型、气候条件和水肥制度而异（Antu et al., 2025），既往研究报道的结果不一致甚至相互矛盾。例如，已有研究报道了干旱条件下腐脂酸施用带来的显著增产效应，但在玉米系统中，在降雨适宜条件下其效应有限（Olk et al., 2021）。本研究也发现大多数土壤性质对腐脂酸无响应。类似地，已有研究表明腐植酸对高肥力土壤中玉米产量的影响相对较弱（Verlinden et al., 2009）。微生物响应同样不一致。腐脂酸施用可能会改变细菌群落组成，但不一定增加细菌丰富度，且这些响应取决于土壤特性、作物种类和环境条件（Santi et al., 2024; Lumactud et al., 2022）。因此，尽管腐植酸作为土壤改良剂具有相当大的潜力，但其实际应用仍取决于具体情况。需要进一步研究以阐明腐脂酸如何在易受胁迫的农业生态系统中调节土壤生态过程和作物生产力。

作物产量是农业生产的首要目标，其依赖于土壤-作物系统的健康和高效运行（Xing et al., 2025）。土壤质量的下降通常会严重制约作物生产力，有时对玉米产量的影响甚至超过降雨等环境因素（Cou?del et al., 2026）。维持土壤功能不仅需要良好的理化条件，还需要活跃的生物学过程（Wang et al., 2026）。作为土壤生态系统的关键组分，微生物通过有机质分解、养分转化和环境生物修复来调控土壤功能（Bei et al., 2018）。由于其对环境变化的高敏感性，微生物群落结构和多样性被广泛认为是评估土壤质量的可靠生物指标（Avidano et al., 2005）。因此，理解微生物对灌溉和腐植酸肥料的响应，对于评估节水节肥管理措施下的土壤质量具有重要意义。既往研究表明，干旱胁迫可能降低微生物多样性并改变优势细菌类群的相对丰度，而养分不足会限制有益微生物的生长和养分相关过程（Peng et al., 2024; Santos et al., 2022）。与单独施用化学肥料相比，腐脂酸基有机改良剂提供了额外的碳源和生物活性化合物，从而改善土壤有机质状况和微生物群落多样性，增强微生物相互作用，进而影响土壤生化过程和养分循环（Liu et al., 2022; Lin et al., 2019）。因此，腐脂酸肥料有望通过微生物介导的养分循环来缓解减少水肥投入所带来的负面生态后果，这值得进一步研究。

在实际农业生产中，腐脂酸肥料通常被视为一种增效型功能性添加剂，而非主要养分来源（Canellas et al., 2015）。Khan等人（2019）报道，在巴基斯坦低肥力雨养条件下，将1.8 kg ha?1腐脂酸与120 kg N ha?1配合施用可显著提高玉米株高、叶面积指数和籽粒产量。相比之下，Guo等人（2022）、Zhang等人（2026a）和Zhang等人（2026b）分别为夏玉米提出了6.3 kg ha?1和160 kg ha?1的更高腐脂酸施肥量。既往研究表明腐脂酸的效果具有剂量依赖性，过量施用腐脂酸可能导致养分失衡或其他不利影响，从而降低产量表现（Galambos et al., 2020; Qaswar et al., 2020）。然而，在节水节肥条件下，能同时改善土壤质量、调节微生物过程并维持作物生产力的最佳腐脂酸替代率仍未得到充分表征。

尽管既往研究已部分阐明了腐脂酸对土壤养分有效性和作物生长的影响，但其在水肥双减条件下对微生物群落结构和功能潜力的调节作用仍知之甚少（Pukalchik et al., 2019）。此外，现有研究大多仅关注腐脂酸的单独施用，而腐脂酸肥料与灌溉之间的交互效应，特别是在干旱和盐碱胁迫下，尚未得到充分探讨。这一知识空白制约了腐脂酸肥料在节水节肥农业系统中的精准应用。目前尚不清楚不同腐脂酸替代率如何与灌溉水平相互作用来调节干旱盐碱条件下的土壤质量、微生物过程和作物生产力。为弥补这一知识空白，我们在中国新疆典型的玉米种植区开展了为期两年的田间试验，以研究不同灌溉水平下的最佳腐脂酸替代率及其对土壤理化性状、细菌群落结构、预测功能特征、整体土壤质量和玉米产量的影响。此外，采用偏最小二乘路径模型阐明了水肥管理、细菌群落响应、土壤质量和作物生产力之间的生态路径。我们假设：（1）适量替代腐脂酸肥料可通过调节土壤性质、细菌多样性和群落组成以及酶活性来提高玉米生产力和土壤质量，而过量施用腐脂酸则会削弱这些效益并降低玉米产量；（2）灌溉是腐脂酸对土壤理化性质、细菌群落结构和种间相互作用产生差异化调节效应的关键驱动因素。

各章节摘要

试验地点描述

本田间试验于2023至2024年在中国石河子市的一处玉米农场进行（85°58′13″E, 44°28′49″N，海拔450 m）。试验点属温带大陆性气候，干旱少雨，年均降雨量约150 mm。地表蒸发强烈，年均蒸发量达1500 mm。该地区光热资源丰富，年日照时数和无霜期约

作物产量

双向裂区方差分析（图1）表明，2023至2024年间灌溉和施肥均对玉米产量有显著影响，但其交互作用无显著效果。与W1相比，W2处理下各施肥处理和年份的玉米平均产量降低约5%。与对照（CT）相比，腐脂酸替代显著提高了玉米产量，其中HAH、HAM和HAL处理在各级灌溉和年份下平均产量分别提高约9%、12%

腐脂酸肥料替代缓解盐碱胁迫并改善土壤养分状况和酶活性

本研究中发现，与单独施用化学肥料相比，腐脂酸肥料在0–40 cm土层中显著降低了pH值和EC值（图2a和b），表明腐脂酸在缓解土壤盐渍化风险方面具有良好潜力。这种改良效应可主要归因于腐脂酸施用后丰富的官能团和改善的土壤团粒结构，这些特性增强了养分保持能力、缓冲碱性并促进盐分再分布（Xu et al., 2021; Meng et al., 2019）。这可能

结论

本研究证明，在干旱盐碱条件下，用腐脂酸部分替代化学肥料可提高土壤质量和玉米生产力，但其响应强烈依赖于腐脂酸施用速率。适量腐脂酸替代可获得最高玉米产量，并提高有效N/P/K含量、酶活性和细菌多样性，促进了更为紧密和结构化细菌共现网络的形成。然而，过量施用腐脂酸则进一步

CRediT作者贡献声明

Chen Shuaihong（陈帅红）：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件，资源，构思。Chang Zhijie（常志杰）：写作——审稿与编辑，资源。Yang Jinxin（杨金新）：写作——审稿与编辑，资源。Hu Tiantian（胡甜甜）：写作——审稿与编辑，监督，获取资助。Lu Junsheng（卢俊生）：写作——审稿与编辑，资源。Li Dongwei（李东卫）：写作——审稿与编辑，资源。Liu Jie（刘杰）：写作——审稿与编辑。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文撰写过程中，作者使用了ChatGPT以提高特定语句的可读性并在统计分析中进行代码调试。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了相关内容，并对已发表论文的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。

致谢

本研究部分受中国国家重点研发计划（2022YFD1900401）资助。

Chen Shuaihong|Chang Zhijie|Yang Jinxin|Hu Tiantian|Lu Junsheng|Li Dongwei|Liu Jie