《Membranes》：Soil Water–EC Dynamics and Soil–Crop Responses to Organic Fertiliser and Bacillus subtilis Rates Under Magnetised–Ionised Water Irrigation in a Saline–Alkali Cotton Field
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在盐碱农田改良研究中，通常强调处理与对照的比较，而同一田间系统内依赖于用量的响应仍不明确。研究人员在磁化离子水灌溉条件下，评估了水溶性有机肥和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）用量对盐碱棉花（Gossypium hirsutum L.）田的影响
在盐碱农田改良研究中，通常强调处理与对照的比较，而同一田间系统内依赖于用量的响应仍不明确。研究人员在磁化离子水灌溉条件下，评估了水溶性有机肥和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）用量对盐碱棉花（Gossypium hirsutum L.）田的影响。一项单季（2025年）随机完全区组试验设置三个重复，包括CK1（磁化离子水无改良剂）、CK2（常规水无改良剂）以及有机肥用量（300、600和900 kg ha-1）与菌剂用量（30、52.5和75 kg ha-1）的3×3因子组合。研究人员在五个生育时期和七个土层测定了土壤质量含水量（GSWC）和电导率（EC）；还评估了收获后土壤容重、铃期微生物组成、叶片气体交换和籽棉产量。GSWC和EC表现出依赖于生育时期和土层的响应。不同有机肥用量下的收获后土壤容重呈现非单调变化模式。Y2W2处理产生了最高的净光合速率和籽棉产量，分别比CK1高14.04%和10.51%，并且在两个土层均观察到最低的容重，比CK1低2.84–4.00%。Mantel分析表明，细菌群落组成与铃期GSWC和籽棉产量呈正协变关系，尽管多重检验校正后统计支持有限。Y2W2在多个指标上显示出有利的响应，但仍需多季节和多地点的验证。
一、研究背景
盐碱土壤通过限制水分有效性、积累可溶性盐分、恶化土壤物理性状及阻碍养分循环等多种途径共同制约作物生产，这些问题在于旱灌区尤为突出，因为根层水盐分布受灌溉和蒸发的强烈影响。棉花是新疆南部的重要经济作物，广泛采用膜下滴灌技术应对水资源短缺和盐分风险。有机改良剂、微生物菌剂和改性灌溉水被作为改善盐碱农田土壤条件和维持作物生产的补充手段。已有研究表明，有机改良剂和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的效应会随施用量变化，而非仅仅取决于有无施用。然而，在同一田间系统中，这种与用量相关的响应是否能在土壤、微生物和作物各组分间一致地体现，尚不清楚。土壤水分含量和电导率（EC）在滴灌条件下尤为动态变化，其分布反映了灌溉、蒸散、再分配和淋洗的综合效应，因此改良剂用量的响应可能出现在特定土层或发育阶段，而非均匀分布于整个剖面。磁化离子水可能进一步改变施用改良剂的理化环境，据报道其可改变水的氢键组织、表面张力和离子行为，从而改善土壤润湿性和入渗。本试验中，磁化离子水作为评估有机肥和菌剂用量的共同灌溉背景，同时设置了CK1和CK2以比较磁化离子水和常规灌溉的效果。有机肥和微生物接种还可能通过不完全平行于EC变化的途径影响土壤和作物响应，如改变资源有效性和土壤结构条件，或影响根际资源周转等生物过程。铃期被选作微生物和叶片气体交换测量的时间点，因为它代表了棉花活跃的生殖生长期。此前在新疆南部的田间研究已考察了磁化离子水灌溉下枯草芽孢杆菌施用量以及磁化离子水与有机肥联用的效果，表明土壤和作物响应具有用量依赖性和非线性特征。但尚不清楚的是，在同一田间试验中，有机肥和微生物菌剂用量的同步变化如何体现在季节性土壤水盐动态、收获后土壤物理状况、微生物群落、作物生理学和产量等多个方面。
二、研究方法
本研究于2025年4月至9月在中国新疆阿克苏地区温宿县共青团镇进行，供试土壤为砂壤土，基础性质如下：0–20 cm土层容重1.53 g cm-3，pH 8.10，电导率（EC，1:5土水比浸提液）1.72 mS cm-1，有机质8.57 g kg-1。采用随机完全区组设计，共11个处理，三次重复。主要关键技术方法包括：（1）田间试验设计：设置常规水灌溉无改良剂对照（CK2）、磁化离子水灌溉无改良剂对照（CK1）以及三种水溶性有机肥用量（Y1:300、Y2:600、Y3:900 kg ha-1）与三种枯草芽孢杆菌菌剂用量（W1:30、W2:52.5、W3:75 kg ha-1）的九种组合，均在磁化离子水灌溉下实施。（2）土壤样品采集与分析：在苗期、现蕾期、花期、铃期和吐絮期五个生育时期，从七个深度间隔（0–10、10–20、20–30、30–40、40–60、60–80、80–100 cm）采集土壤样品，测定土壤质量含水量（GSWC）和EC（1:5土水比浸提液）。（3）微生物群落分析：铃期采集0–20 cm窄行带土壤，提取DNA后进行16S rRNA基因V3–V4区和真菌ITS1区的扩增子测序，分析科级水平细菌和真菌群落组成。（4）生理与产量测定：铃期使用便携式光合仪测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）；收获时测定籽棉产量、单株铃数和百铃重。（5）统计分析：采用广义最小二乘法（GLS）分析GSWC和EC的季节性与层次性响应，运用PERMANOVA分析微生物群落组成差异，并通过Mantel检验和Spearman相关性分析探讨变量间的关联。
三、研究结果
3.1 GSWC和EC的季节性与层次性响应
GSWC和EC随生育时期和土层深度表现出显著变异。基线校正分析显示，两种变量的有机肥用量（Y）×生育时期（Stage）以及Y×菌剂用量（W）×Stage交互作用在所有七个测量深度均显著。W×Stage效应对GSWC在所有深度均显著，而对EC在10–100 cm深度显著但在0–10 cm不显著。深度及其与Y、W和Y×W的交互作用在所有施肥后的生育时期均显著。处理差异在铃期和吐絮期尤为明显。铃期，在0–30 cm土层，九个因子处理组合的平均GSWC比CK1高11.1–35.4%；同期，九个因子处理的平均EC在六个土层比CK1低16.7–38.8%。吐絮期，九个因子处理的GSWC在0–40 cm土层比CK1高12.1–31.4%，EC在0–10、10–20和30–40 cm土层仍显著低于CK1。GSWC和EC在检测精度上的差异比标准化效应幅度更明显：GSWC的残差变异系数和相对最小可检测差异（MDD80）均低于EC。
3.2 收获后土壤容重对不同改良剂处理的响应
两个土层的收获后容重表现出相似的模式。CK1和CK2之间无显著差异，而九个因子处理的平均容重在两个土层均低于CK1。所有九个组合的容重均低于CK2。容重主要受有机肥用量（Y）影响，而不受菌剂用量（W）或Y×W交互作用影响。Y的响应是非单调的：正交对比证实了两个土层的显著二次Y响应，Y2与Y3之间存在显著差异，表明容重从Y1到Y2降低，然后在Y3部分回升。在各组合中，Y2W2观测到的平均值最低，在0–20和20–40 cm分别为1.440和1.470 g cm-3，比CK1降低4.00%和2.84%。
3.3 微生物群落对改良剂因子的响应
细菌和真菌群落的科级组成在处理间均有差异。区块约束PERMANOVA确认了处理对两种群落的显著影响。在九个因子处理内，细菌和真菌群落组成均对Y、W和Y×W有显著响应。经多重检验校正后，科级水平的响应具有分类单元特异性。11个优势细菌科和10个优势真菌科至少有一个显著的因子效应。例如，细菌中的红环菌科（Rhodocyclaceae）和脱硫单胞菌科（Desulfuromonadaceae）对Y、W和Y×W均有响应；芽孢杆菌科（Bacillaceae）对Y和W有响应，但其相对丰度在所有11个处理中均维持在1–2%之间。真菌中的柄锈菌科（Pucciniaceae）对Y、W和Y×W均有响应。
3.4 叶片气体交换和产量形成表现出性状特异性的用量响应
铃期，CK1的Pn、Tr和Gs数值高于CK2，Ci较低。九个因子处理的Pn、Tr和Gs比CK1高0.33–27.84%。Pn受Y和W共同影响，Tr也表现出对Y和W的显著总体响应，而Gs无显著主效应。Pn的正交对比显示线性和二次Y响应以及二次W响应。未检测到任何气体交换性状的Y×W交互作用。籽棉产量在CK1下比CK2高4.24%，九个因子处理比CK2高6.33–15.19%，其中Y2W2最高（比CK2高15.19%，比CK1高10.51%）。产量受Y和W影响，但不受Y×W影响。单株铃数主要受Y影响，百铃重则受Y和W共同影响。产量对Y表现出线性和二次响应，对W表现出二次响应，但Y2与Y3之间的产量对比不显著。
3.5 细菌和真菌群落与土壤及作物变量的关联
Mantel分析表明，细菌群落组成与铃期0–20 cm GSWC和籽棉产量呈正相关，但多重检验校正后这些关联不再显著。真菌群落与任何变量均无显著关联。Spearman分析进一步显示，GSWC与EC负相关；EC与Pn、Tr、籽棉产量、百铃重和单株铃数负相关，与Ci正相关；籽棉产量与Pn、Tr、Gs、百铃重和单株铃数正相关，与Ci和EC负相关。
四、讨论与结论
讨论部分总结：本研究表明，改良剂用量对GSWC和EC的影响强烈依赖于作物发育和土壤位置，而非在整个0–100 cm剖面均匀表达。GSWC和EC在时空模式上的差异与其所代表的过程一致：土壤水分可局部响应持水、再分配和根系吸收，而EC反映的是离子溶解、迁移、再分配、浓缩和淋洗的综合结果。两者在检测精度上的差异比标准化效应幅度更明显，这不应被解释为盐度过程不重要或EC本身响应性较差。磁化离子水背景为这些对比性响应提供了可能的物理情境，但灌溉水类型未与Y和W进行因子交叉，因此这种解释是一种合理的耦合过程而非直接证实的协同交互作用。细菌和真菌群落均对Y、W和Y×W有显著响应，Y×W交互作用解释了更大比例的组成变异，表明群落响应强烈依赖于改良剂用量组合。科级水平的响应具有分类单元特异性，芽孢杆菌科的相对丰度在接种与非接种小区处于相同范围，因此不应将观察到的细菌组成变化视为所施用枯草芽孢杆菌菌株定殖的证据。改良剂用量效应在土壤物理状况、作物生理学和最终产量形成中均有体现，但这些响应发生在不同季节阶段，不应被解释为单一的因果序列。较低的EC与较强的光合性能和较高的产量形成相一致，表明根层条件与作物表现之间存在协调变异。细菌群落组成与GSWC和产量的探索性协变可能反映了对根层环境变化的共同响应，而非直接的微生物介导途径。综合来看，物理、生理、生物学和农学测量表明，改良剂用量效应在系统各组分间是协调的，但通过不同过程和在不同时间尺度上表达。
研究结论翻译：本研究证明，在磁化离子水灌溉背景下，盐碱棉田中改良剂用量的响应依赖于生育时期、土层深度和系统组分。GSWC和EC表现出不同的时间和深度依赖性响应模式，其在检测精度上的差异大于标准化效应幅度的差异。土壤物理、微生物、生理学和农学响应同样并非随改良剂投入增加而成比例变化，并且细菌群落组成与铃期GSWC和籽棉产量表现出探索性协变关系。这些发现表明，改良剂用量的评估应整合土壤-微生物-作物系统的多个组分，而非依赖单一终点指标。在所测试的范围内，Y2W2在多个测量响应中表现出良好的性能，但本单季单点试验并未确定唯一的农学最优用量。因此，Y2W2应被视为一个有前景的候选方案，在进行更广泛的农学推荐或商业应用之前，需要进行多季节和多地点的验证。
