灌溉与微生物肥协同提升设施小白菜基质健康与水肥利用效率的机制研究

《Agricultural Water Management》：Irrigation and microbial fertilizer synergistically improved the substrate health status and water and fertilizer use efficiency of facility Chinese cabbage

　　

设施基质栽培中过量施肥和水分管理不当可导致基质环境质量退化及水肥利用效率低下。为明确灌溉与微生物肥对设施小白菜产量、水肥利用效率、基质理化与生物学特性及基质质量的影响，研究人员设置3个灌溉水平W1（90%最大持水量，WHC）、W2（70%WHC）、W3（50%WHC）与3个微生物肥施用量F1（3.75 t·ha^?1）、F2（3.00 t·ha^?1）、F3（2.25 t·ha^?1）交叉组合，并设空白对照（CK），开展两季试验；构建基质质量指数（SQI），结合Pearson相关、Boruta算法、随机森林与通径分析识别关键因子。结果表明，灌溉、微生物肥及其交互作用显著影响产量、水分利用效率（WUE）、偏肥料生产力（PFP）及多数基质指标。W2F2的产量和SQI最高，两季平均产量为25.22 t·ha^?1，较CK提高88.71%；该处理下速效磷（AP）、速效钾（AK）、脲酶（UR）、磷酸酶（PHO）及变形菌门（Proteobacteria）相对丰度分别较CK平均提高63.22%、55.75%、188.39%、80.27%和25.79%。W3F2的WUE最高，较CK平均提高78.27%；W2F3的PFP最优。SQI与产量显著正相关，PHO和AK为表征基质质量变化的关键指标。结论认为，适度灌溉与优化微生物肥施用可协同改善设施小白菜基质健康、提高产量与水肥利用效率，W2F2为综合优化组合。

研究背景方面，全球人口增长与耕地资源紧缺使传统农业生产面临水资源短缺、土壤退化及过量施肥导致的环境污染等问题。设施基质栽培（facility substrate cultivation）将温室等设施农业与椰糠、泥炭、蛭石、珍珠岩等无土基质栽培结合，可降低对土壤和气候等自然环境的依赖，实现对作物生长环境的精准调控，是缓解气候变化影响、提高土地利用效率并保障优质高效生产的重要技术途径。然而，追求短期高效生产常伴随过量施肥、水肥利用效率偏低和基质环境质量退化等问题。灌溉与施肥是农业生产的两项核心因素，灌溉不仅影响作物产量和水分利用效率（WUE），也是调控设施基质理化性质与生物活性的关键变量；微生物肥含氮固定、磷溶解、钾溶解等功能微生物，可通过改善基质养分、理化性质及微生态环境提高作物产量。二者联用具有“水促肥、肥调水”的协同潜力，但已有研究多集中于土壤，针对设施基质健康评价及不同水肥组合对基质质量、产量和资源效率协同调控的研究仍有限。基于此，研究人员开展两季设施基质小白菜试验，分析不同灌溉与微生物肥水平对产量、WUE、偏肥料生产力（PFP）、基质理化性质、酶活性、微生物多样性及基质质量指数（SQI）的影响，识别影响基质质量的关键驱动因子，并筛选适宜的水肥组合，以协同提升基质质量、作物产量和资源利用效率。

研究人员开展了两季设施基质小白菜试验，结果表明，合理的水肥组合可显著提高小白菜产量，改善基质养分状况和酶活性。W2F2处理综合效果较优，两季平均产量达25.22 t·ha^?1，较CK提高88.71%，SQI最高；该处理下速效磷（AP）、速效钾（AK）、脲酶（UR）、磷酸酶（PHO）及变形菌门（Proteobacteria）相对丰度较CK平均分别提高63.22%、55.75%、188.39%、80.27%和25.79%。W3F2处理的WUE最高，两季平均较CK提高78.27%；PFP在W2F3处理最优，W1F1处理最低，说明产量与WUE、PFP对水肥水平的响应存在差异。进一步分析显示，SQI与小白菜产量显著正相关，PHO和AK对SQI重要性较高，是表征基质质量变化的关键指标。该研究为设施小白菜水肥优化管理、基质健康评价及设施农业可持续发展提供了依据。

关键技术方法概括：试验于昆明理工大学云南智能农业教研基地开展两季（2024年8月、10月），供试品种为“Xiahuangbai”，栽培基质为椰糠。设置W1（90%WHC）、W2（70%WHC）、W3（50%WHC）3个灌溉水平与F1（3.75 t·ha^?1）、F2（3.00 t·ha^?1）、F3（2.25 t·ha^?1）3个微生物肥施用量交叉组合，另设CK（仅50%WHC、不施微生物肥），完全随机设计，3次重复。测定产量、WUE、PFP、基质理化性质、UR/PHO/蔗糖酶（INV）/过氧化氢酶（CAT）活性，并进行细菌16S rRNA基因和真菌ITS1区域扩增子测序；采用Pearson相关、Boruta算法、随机森林和通径分析构建SQI并识别关键因子。

结果部分如下。3.1 灌溉与微生物肥水平对小白菜产量、WUE和PFP的影响：双因素方差分析显示，灌溉（W）、微生物肥（F）及W×F对产量、WUE和PFP均有极显著影响（p<0.01）。产量随灌溉和微生物肥水平增加呈先升后降趋势，W2F2处理两季产量最高，分别为24.98 t·ha^?1和25.45 t·ha^?1，较CK分别提高90.66%和86.83%。WUE总体随灌溉量增加而下降，W3F2处理最高，分别为12.43 kg·m^?3和13.98 kg·m^?3，较CK提高75.91%和80.62%。PFP随灌溉量增加先升后降，W2F3处理最高，分别为10.63 kg·kg^?1和11.12 kg·kg^?1，较W1F1分别提高87.28%和95.51%。说明不同水肥组合对产量与资源利用效率的调控效应不同。3.2 对基质理化性质的影响：通过基质化学性质测定及方差分析发现，有机质（SOM）和铵态氮（NH₄⁺-N）随灌溉量增加先升后降，均以W2最高；SOM在W2F1最高，两季分别为131.42 g·kg^?1和141.04 g·kg^?1，较CK提高51.73%和61.50%；NH₄⁺-N在W2F2最高，较CK提高74.83%和70.46%。硝态氮（NO₃^--N）随灌溉量增加而降低，W3最高，且对微生物肥的响应存在季节差异。AP和AK随水肥增加先升后降，均以W2F2最高，AP较CK提高60.33%和66.31%，AK提高62.15%和50.07%。总磷（TP）和总钾（TK）随水肥增加而下降，CK最高、W1F1最低。pH随灌溉量增加而升高，W1最高；F3最高。电导率（EC）随灌溉量增加而降低，W1最低；F1最高。3.3 对基质酶活性和微生物多样性的影响：酶活性测定显示，UR、PHO和CAT随灌溉量增加先升后降，均以W2最高；UR和PHO随微生物肥增加先升后降，以F2最高；CAT以F1最高；INV随灌溉量增加而降低、随施肥量增加而升高，以F1最高。交互处理中，W2F2的UR和PHO最高，两季较CK分别提高206.97%和105.92%、171.73%和58.03%；W2F1的CAT最高，较CK提高30.15%和34.41%；W3F1的INV最高，较CK提高110.48%和82.88%。扩增子测序结果表明，细菌门水平以Proteobacteria为优势门（53.84%—67.72%），W2F2处理相对丰度最高，较CK提高25.79%；真菌门水平以子囊菌门（Ascomycota）为主（52.29%—77.47%），W2F1最高，较CK提高48.15%。属水平上，细菌优势属包括Bauldia、Pseudolabrys和Hyphomicrobium；真菌中Humicola、Plectosphaerella和Cercophora相对丰度较高，其中Humicola和Cercophora在W2F1最高，Plectosphaerella亦在W2F1最高；Plectosphaerella包含若干植物病原菌，过量施用微生物肥可能增加病原真菌丰度。3.4 SQI的构建及其关键影响因素分析：Pearson相关分析表明，小白菜产量与SOM、NH₄⁺-N、AP、AK、UR和PHO显著正相关（p<0.05），上述6项作为有效基质指标；Boruta算法保留全部6项，随机森林以%IncMSE确定权重并构建SQI。SQI在W2F2最高，两季分别为0.85和0.88，CK最低（0.04和0.13）；SQI与产量显著正相关，相关系数分别为0.785和0.777。通径分析显示，NH₄⁺-N、AP、AK和PHO对SQI的直接通径系数分别为0.276、0.245、0.265和0.275，均显著；间接效应大小为PHO（0.719）>AK（0.707）>NH₄⁺-N（0.634）>AP（0.615），均大于直接效应；PHO和AK决定系数较高，分别为0.273和0.258，是表征基质质量变化的关键指标。

讨论部分总结：4.1 灌溉与微生物肥对作物产量和WUE的调控效应方面，水肥交互可形成“水促肥、肥调水”的协同效应，适宜的水分与微生物肥供应可缓解设施基质栽培的资源限制并提高产量。产量随灌溉量和微生物肥施用量增加先升后降，过高灌溉可导致水溶性氮、钾等养分淋失，过多施用微生物肥可加剧微生物竞争并可能产生抑制性次生代谢物，导致基质肥力和产量下降。WUE随灌溉量增加而下降，过高灌溉增加无效蒸发和淋失损失。4.2 对基质微环境和基质质量的调控机制方面，适度灌溉可提高离子溶解性与移动性，微生物肥通过解磷、解钾和固氮等功能释放有效养分，二者协同提高有效养分供应。适宜水分促进有机氮矿化，使NH₄⁺-N增加；NO₃^--N因移动性强，随灌溉增加更易淋洗；TP和TK下降反映作物吸收与淋失的共同作用。SOM和EC显著升高与外源有机碳输入、微生物残体及代谢产物积累、椰糠木质素和纤维素分解较慢、根系分泌物转化以及肥料盐分输入、矿化和精准灌溉下盐分累积有关。UR和PHO对微生物肥呈阈值响应，CAT随施肥量增加而升高；Proteobacteria代谢类型多样、适应性强并参与氮磷转化，在W2F2下丰度最高；Ascomycota参与碳氮循环，在W2F1下丰度最高；同时应关注W2灌溉下Plectosphaerella潜在病原风险。不同水肥处理下SQI显著高于CK，W2F2最优，高SQI反映较强的养分供给、保水和生物活性支持能力。

研究结论部分翻译：该研究通过设施基质栽培试验，系统评价不同灌溉与微生物肥水平对小白菜产量、水肥利用效率、基质理化与生物学性质及基质质量的影响。结果表明，合理的灌溉与微生物肥组合显著提高小白菜产量，改善基质养分状况和酶活性。W2F2处理综合效果较好，两季平均产量达25.22 t·ha^?1，较CK提高88.71%，SQI最高；该处理下AP、AK、UR、PHO及Proteobacteria相对丰度较CK平均分别提高63.22%、55.75%、188.39%、80.27%和25.79%。W3F2处理WUE最高，两季平均较CK提高78.27%；PFP在W2F3处理最优、W1F1处理最低，表明产量与WUE、PFP对灌溉和微生物肥水平的响应存在差异。进一步分析表明，SQI与小白菜产量显著正相关；通径分析揭示PHO和AK对SQI重要性较高，是表征基质质量变化的关键指标。