传统的粪肥和生物有机肥料的施用通过在干旱盐碱地区丰富有益微生物来改善土壤质量和提高棉花产量

《Applied Soil Ecology》：Conventional manure and bio-organic fertilizer application improve soil quality and cotton yield through distinct enrichment of beneficial microorganisms in arid saline areas

　　

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  土壤可溶性盐分和有效钾含量是影响棉花产量的关键因素
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  有机肥料和生物有机肥料能够不同程度地丰富有益的土壤微生物
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  假单胞菌可能在激活盐碱土中的养分方面发挥重要作用
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  引言

  土壤盐碱化是一个关键的环境压力因素，制约了全球农业生产力和生态系统的可持续发展（Singh, 2022）。根据联合国粮食及农业组织的估计和相关研究，受盐碱化影响的全球陆地面积超过了11亿公顷，并以每年1%–2%的速度扩大，对全球100多个国家的粮食安全构成了严重威胁（FAO, 2024）。作为主要的农业国家，中国的盐碱土地总面积约为9913万公顷，占其国土面积的约10%，其中耕地的盐碱化问题尤为严重（Liu et al., 2023b; Huang et al., 2025）。在干旱和半干旱地区，蒸发量远超降水量、不合理的灌溉方式以及过量施用化肥加剧了土壤次生盐碱化的问题（Tarolli et al., 2024）。这一过程严重破坏了土壤结构，抑制了微生物活动，成为限制农业可持续发展的核心瓶颈（Singh, 2021）。

  棉花（Gossypium hirsutum L.）是一种重要的全球经济作物，也是纺织工业的主要原材料，由于其相对较强的耐盐碱能力，在干旱和盐碱地区成为不可或缺的主食作物（Maryum et al., 2022）。中国新疆是高品质棉花的主要生产基地；然而，该地区同时面临着土壤盐碱化的双重压力（Ding et al., 2023）。滴灌是一种高效的节水灌溉方法，在干旱和半干旱地区被广泛应用于棉花种植（Jiang et al., 2023）。然而，盐碱土通常具有较高的Na⁺含量和养分失衡，这直接导致棉花受到渗透压和离子毒性的影响（Wang et al., 2024a）。这些不利条件抑制了根系发育和光合作用（Wang et al., 2024b），最终降低了棉花产量和纤维质量。为了缓解盐碱化压力，人们使用了石膏等无机改良剂。然而，长期使用这些改良剂会破坏土壤结构并造成二次污染，使其不适合可持续改良盐碱土（Elmeknassi et al., 2024）。因此，滴灌结合有机肥料的应用在改善土壤团聚体结构、降低土壤盐度以及减少NO₃^?-N淋溶方面具有巨大潜力，被认为是改善盐碱土的可持续策略（Hu et al., 2026）。

  首先，有机肥料的施用显著增加了土壤有机质（OM）含量，为土壤团聚体的形成提供了必要的粘合剂（Dai et al., 2019）。团聚体结构的改善不仅增强了土壤的通气和水分渗透性，还有助于通过灌溉水向下淋溶盐分（Liu et al., 2020）。同时，有机质分解过程中产生的有机酸（如草酸、柠檬酸）可以有效降低土壤pH值（Sun et al., 2015）。富含有机质的肥料具有较高的阳离子交换能力（CEC）。其表面的羧基和酚羟基等功能团可以吸附并固定土壤溶液中的Na⁺（Zhao et al., 2020）。更重要的是，有机肥料的施用优化了盐碱土的养分供应状况，从而在胁迫条件下为作物生长提供了更加稳定和平衡的营养基础（Hou et al., 2025; Sun et al., 2025a）。与化学肥料相比，有机肥料通过缓慢的微生物矿化过程实现了氮、磷和钾等养分的持续释放（Zhai et al., 2022）。这种机制有效减少了易释放养分的淋溶和挥发损失，从而提高了养分利用效率。

  此外，有机肥料的施用不仅直接改善了土壤的物理化学性质，还通过“碳输入”这一关键信号深刻重塑了土壤微生物群落的结构和功能（Wu et al., 2025）。通过提供丰富的碳源和能量，有机肥料显著刺激了微生物的活动和生长，从而抵消了盐碱化对微生物群落的抑制作用（Cui et al., 2021）。有机肥料的施用丰富了盐碱土根际中的有益微生物，如假单胞菌和青霉菌（Hu et al., 2025）。同样，耐盐碱的水稻通过招募关键根际微生物（如氢噬菌体）增强了其耐盐碱性（Lei et al., 2025）。这些丰富的微生物通过分泌胞外聚合物、合成有机酸和螯合物以及产生植物激素等方式改善了盐碱土的微环境（Zhang et al., 2023; Guo et al., 2025）。更重要的是，有机肥料的施用有助于建立更加稳定和功能强大的“核心微生物群落”（Gu et al., 2019; Hu et al., 2025）。这个被招募的微生物网络更有效地参与了有机质分解、养分循环和盐分调节等关键生态过程（Wu et al., 2024; Sun et al., 2025b）。

  传统粪肥（COF）主要通过提供有机质来发挥缓释的物理化学和生物改良作用，例如通过腐殖质的阳离子交换能力被动吸附Na⁺或招募根际微生物（Hu et al., 2025）。相比之下，生物有机肥料（BOF）在此基础上通过添加特定的功能性微生物，通过微生物代谢活动（如分泌胞外聚合物）来对根际微环境进行更积极的“生物刺激”（Zhang et al., 2026）。尽管两者都能有效改善盐碱土，但以往的研究很少严格控制碳输入量（Wang et al., 2025; Tang et al., 2026），因此难以区分改良效果是源于“碳源数量的增加”还是“功能性微生物的富集”。基于这一前提，我们假设在碳输入量相同的情况下，COF和BOF在干旱地区对盐碱土的改良效率、微生物调节机制以及作物产量响应方面存在差异。因此，本研究聚焦于干旱地区的盐碱土棉花，探讨COF和BOF应用对以下方面的差异效应：（1）土壤物理化学性质、养分状况、酶活性；（2）土壤微生物群落结构；（3）阐明土壤质量和微生物群落结构的改善如何促进棉花产量。该研究旨在为盐碱土改良和干旱地区的可持续棉花生产提供理论基础。

  章节片段

  地点描述

  2025年4月至10月，在新疆农业科学院玉丽县田间试验站（86°17′31′′E, 41°18′40′′N）进行了田间试验。该试验站位于塔里木盆地的东北边缘，具有典型的温带大陆性干旱气候特征。该地区降水量极少，蒸发强烈，年平均温度为7.5–13.3°C，年降水量介于40至100毫米之间

  棉花产量

  表2展示了有机肥料施用对棉花产量及其组成成分的影响。结果表明，COF和BOF处理不同程度地增加了棉花植株密度，但对每株棉花的铃数或铃重没有显著影响（P > 0.05）。与CK相比，COF1、COF2、BOF1和BOF2处理分别使棉花产量增加了13.86%（P > 0.05）、57.94%（P < 0.05）、9.22%（P > 0.05）和51.51%（P < 0.05）。这些发现表明

  有机肥料的施用改善了干旱地区的盐碱土质量

  盐碱土中的高盐分和pH值对土壤物理化学性质和养分有效性有害，从而限制了农业生产力（Zhao et al., 2020）。我们的研究发现，COF和BOF的施用增强了土壤团聚体的稳定性，提高了土壤有机质含量、酶活性和养分状况（AN和AK含量），并降低了土壤盐度。这些改善共同促进了土壤质量的提高和棉花产量的增加

  结论

  本研究通过田间试验研究了在相同碳输入条件下，COF和BOF对干旱地区严重盐碱土的物理化学性质、养分状况、酶活性和棉花产量的影响。结果表明，与CK相比，COF2和BOF2处理分别使表层土壤可溶性盐含量降低了13.77%和13.17%，棉花产量增加了57.94%和51.51%。这些益处

  CRediT作者贡献声明

  龚豪天：写作 – 审阅与编辑，原始草稿撰写，可视化制作，软件应用，数据分析。 张云舒：方法学研究，数据管理，写作 – 审阅与编辑。 唐光穆：方法学研究，数据管理，概念构建。 翟慧：写作 – 审阅与编辑。 陈茂鑫：研究工作。 徐万里：项目监督，资源调配，资金筹措。

  利益冲突声明

  作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

  致谢

  本研究得到了中国科学院的支持。
  龚豪天|张云舒|唐光穆|翟慧|陈茂鑫|徐万里