灌溉制度调控有机肥对盐碱土土壤质量及微生物碳降解基因组成的影响

《Journal of Environmental Management》：Irrigation regime modulates the effects of organic amendments on soil quality and microbial carbon-degrading gene composition in saline-alkali soils

　　

**有机改良剂对土壤质量的有效性取决于灌溉制度。**
- 在充分灌溉条件下生物炭表现最佳，在亏缺灌溉条件下粪肥表现最佳。
- 水-碳耦合改变了碳降解基因的组成，但未改变微生物群落组成。
- 半纤维素降解基因和酶活性均对水-碳耦合有响应。

## 引言

土壤盐渍化限制了农业生产并降低了土地利用效率，已在100多个国家的8.33亿公顷农业用地上造成影响（Qiu et al., 2025b）。土壤盐渍化会不利地影响土壤理化性质，在一定程度上影响土壤微生物活性和植物生长，并可能加剧土地退化（Lamizadeh et al., 2019; Li et al., 2025a）。因此，盐碱土壤的修复已成为一项重要任务（Yang et al., 2018），因为改良盐碱土壤可以增强土壤结构、降低土壤盐分、恢复生态功能并提高土壤生产力，从而提高土地的经济价值。除减少盐分积累外，有效的修复策略还应促进土壤碳循环和微生物生态功能，这对于土壤质量的长期改善至关重要。

迄今为止，物理、化学和生物措施已被广泛用于盐碱土壤修复（Wang et al., 2021; Du et al., 2023; Li et al., 2023）。其中，有机改良剂（包括秸秆、粪肥和生物炭）被认为是盐碱土壤改良的有效策略。这是因为它们可以改善土壤结构、提高养分有效性和促进土壤团聚体形成（Guo et al., 2022; Li et al., 2025b）。然而，这些有机改良剂在碳质量、可分解性和养分有效性方面存在显著差异，这可能导致土壤微生物碳利用策略的变化。秸秆含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，可以刺激微生物快速分解和碳循环（Ma et al., 2024; Li et al., 2025a; Chai et al., 2026）。一项荟萃分析表明，秸秆施用可以有效降低土壤盐分并提高作物产量（Song et al., 2025）。同样，粪肥既能为土壤提供速效碳和必需养分，又能提高微生物生物量和酶活性。然而，在某些条件下，过量施用粪肥可能会增加土壤电导率（EC）（Shaaban et al., 2023; Yertayeva et al., 2025）。生物炭具有高比表面积和强离子吸附能力，可以改善土壤阳离子交换量（CEC）和养分保持能力。然而，根据生物炭生产所用原料的不同，其施用也可能导致土壤盐分增加（Nguyen et al., 2018; Cong et al., 2025b; Zhao et al., 2026）。因此，有机改良剂的改良效果不仅取决于碳投入量，还取决于微生物在不同环境条件下如何加工和分配碳。碳水化合物活性酶（CAZymes）是评估微生物群落碳循环能力的关键指标，也是盐碱土壤修复中有机改良剂应用研究的重要组成部分。不同的CAZyme基因与不同的碳代谢途径相关，包括植物多糖降解、寡糖利用、微生物残体周转和胞内多糖合成。因此，微生物CAZyme分析可以指示不同环境条件下降解不同碳底物的遗传潜力。研究表明，牛粪和脱硫石膏显著增加了盐碱土壤中CAZyme基因的丰度，尤其是糖苷水解酶（GHs）和糖基转移酶（GTs）（Bai et al., 2025）。然而，大多数现有研究主要关注微生物多样性或整体酶活性的变化，而不同有机改良剂在不同水分制度下如何影响特定碳降解功能尚缺乏充分了解。

水分管理是影响盐碱土壤改良效果的另一个关键因素。在黄河三角洲（YRD）等地区，海水入侵、地下水位浅和高蒸发蒸腾率加剧了盐渍化（Wang et al., 2020; Qiu et al., 2025a）。虽然淡水灌溉可以通过盐分淋洗有效降低盐分，但其应用受到各部门间水竞争加剧的限制。补充灌溉通过在关键生长阶段向作物提供有限的水量，代表了减轻水分胁迫同时维持作物产量的有前景策略。两种灌溉制度的设计基于黄河三角洲当地的灌溉实践和既往研究，分别代表充分补充灌溉和亏缺补充灌溉（Liang et al., 2021; Zhang et al., 2021）。在玉米季（与雨季重合），灌溉由土壤基质势触发，而非按固定时间表进行，以便充分利用降雨，仅在土壤水势低于规定阈值时施加补充水分。较高阈值（W1, ?30 kPa）代表充分供水，较低阈值（W2, ?60 kPa）允许轻度水分亏缺，代表节水情景。在冬小麦季（降雨有限），拔节期和灌浆期的补充灌溉强烈影响土壤水分和养分分布，从而影响小麦生长。W1和W2分别施用100 mm和60 mm灌溉量，因此代表充分供水和亏缺供水。该设计并非旨在确定最佳灌溉阈值，而是建立一个农学上合理的水分供给对比，以便评估不同有机改良剂的性能。这种对比与黄河三角洲直接相关，该地区淡水有限制约了盐碱地的开发利用，农业、工业和生态用水需求之间的竞争日益限制灌溉用水的可得性。然而，补充灌溉与不同有机改良剂之间的相互作用在盐碱土壤研究中大部分是孤立进行的。特别是，补充灌溉如何改变土壤碳降解功能基因的组成、不同有机物料在对比水分制度下是否产生不同的功能基因响应、以及这两个因素对土壤质量和微生物功能组成是独立作用还是交互作用，仍然不清楚。

在本研究中，水-碳耦合指灌溉制度与有机改良剂投入在共同调节土壤过程中的相互作用。虽然灌溉管理和有机改良剂在盐碱土壤中都有广泛应用，但以往研究主要关注理化性质、作物生长或微生物群落组成，对水-碳耦合如何影响微生物碳降解潜力关注甚少。理解这些问题对于优化水分受限条件下盐碱土壤的可持续管理至关重要。因此，本研究采用为期两年的田间试验，设置不同补充灌溉和有机改良剂处理，旨在：（1）量化灌溉制度和改良剂类型对土壤性质、微生物生物量碳、酶活性和土壤质量指数的主效应及交互效应；（2）鉴定微生物群落组成和CAZyme谱对此交互作用的响应。我们假设有机改良剂对土壤质量的效果会因灌溉制度而异，因为三种改良剂在可分解性方面存在差异，因此其分解对灌溉制度的依赖程度也不同。

## 实验站点

实验于中国科学院烟台海岸带研究所黄河三角洲盐碱农田生态系统观测研究站进行（37.32°N, 118.65°E），始于2023年10月。该地区具有典型的温带大陆性季风气候，年均温13.5°C，年均降水量700-750 mm。实验站点2024年累积降水量为579 mm，2025年为869 mm。土壤分类为盐土……

## 土壤性质

在2024-2025年间，0-20 cm土层中核心碳相关指标显示出大体一致的趋势（图1）：微生物生物量碳（MBC）和主要碳循环酶活性受到灌溉与有机改良剂交互作用的显著影响。相反，基本养分指标（TP、TK、TN和SOM）在两年均未表现出显著交互效应，而盐分相关指标（EC和pH）的显著性在两年间存在差异。

## 土壤养分

### 水-碳耦合对土壤理化性质的影响

与初始土壤基线值相比，各处理中EC均降低，而pH升高。EC的降低可能部分反映了与灌溉和降水相关的盐分淋洗和再分布。pH的升高可归因于灌溉和淋洗引起的可溶性离子相对组成的改变。具体而言，淋洗优先将Ca2?和Mg2?从土壤中移除，从而提高Na?的比例，增加交换性……

## 结论

本研究调查了水-碳耦合（两种补充灌溉制度：W1，玉米在?30 kPa时触发，小麦拔节和灌浆期各100 mm；W2，?60 kPa，小麦60 mm；结合三种有机改良剂：秸秆S、粪肥M、生物炭B）及其对盐碱土壤质量、微生物群落和碳降解功能基因的影响。处理效应集中在0-20 cm土层，20-40 cm土层响应极小，表明……

## CRediT作者贡献声明

邱浩南：写作-审阅与编辑、写作-初稿、方法论、形式化分析、概念设计。杨士红：写作-审阅与编辑、资源、资金获取。王广梅：资源、项目管理。张杰：项目管理。徐奕：写作-审阅与编辑。Antonios Morellos：写作-审阅与编辑。刘晓玲：项目管理。董士德：项目管理。江泽伟：项目管理。刘汉文：项目管理。

## 代码可用性

本研究分析所生成的代码可通过合理请求向通讯作者获取。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究得到江苏省研究生研究与实践创新计划（26CXJH1515）、中央高校基本科研业务费专项资金（B250205038）、江苏省重点研发计划（BE2022390）、国家自然科学基金（52379038）、黄河三角洲农业高新技术产业示范区科技专项（2022SZX01）以及江苏省自然科学基金的资助。

作者：Qiu Haonan|Yang Shihong|Wang Guangmei|Zhang Jie|Xu Yi|Antonios Morellos|Liu Xiaoling|Dong Shide|Jiang Zewei|Liu Hanwen|Hu Jiazhen|Manuel Vázquez-Arellano|Abdul Mounem Mouazen