降低冬灌频率对南疆土壤性质、微生物群落及棉花成苗的影响

《Agronomy》：Effects of Reduced Winter Irrigation Frequency on Soil Properties, Microbial Communities, and Cotton Establishment in Southern Xinjiang

　　

水资源短缺日益制约南疆棉花生产体系中的常规年度冬灌，然而降低冬灌频率对土壤性质、微生物群落及作物成苗的影响尚不明确。研究人员在滴灌棉田开展长期田间试验，比较年度冬灌（CK）、连续不冬灌（H1）、隔一年冬灌（H2；每两年一次）和连续两年不冬灌后冬灌（H3；每三年一次）四种处理。评估了土壤水分与盐分、养分含量、酶活性、微生物生物量及群落特征、棉花出苗率和籽棉产量。完全取消冬灌导致盐分积累最大且土壤水分降低，而H2和H3维持了高于CK的土壤有机质和全量养分含量。H3还表现出较高的微生物生物量碳以及最大的细菌和真菌丰富度。冗余分析（RDA）表明，土壤盐分、全钾、微生物生物量碳和氮以及酶活性与微生物群落组成显著相关。冬灌频率显著影响棉花出苗率但不影响籽棉产量；H3产生了最高的出苗率且无显著产量损失。总体而言，周期性冬灌，尤其是H3制度，显示出在维持良好土壤性质和棉花成苗的同时降低长期冬灌频率的潜力。在该制度被推荐用于长期管理之前，需要对产量和灌溉用水进行多年测定。

研究背景方面，新疆是中国最大的棉花产区，但该地区棉花生产受干旱气候、低降水、高蒸发需求和有限淡水资源制约。膜下滴灌被广泛采用以提高灌溉效率并维持棉花根区相对低盐环境。然而，滴灌主要通过将盐分从湿润根区排开来实现盐分再分布，而非将盐分完全从土壤剖面中去除。生长季被置换的盐分可能在湿润根区外积累，随后在非生长季向上迁移，冻融过程进一步改变土壤水盐的再分布。为控制盐分积累，南疆棉花生产通常结合两种灌溉方式：生长季通过膜下滴灌供水以满足作物需水，收获后在非生长季进行补充灌溉以淋洗上层土壤积累的盐分，该非生长季灌溉通常采用地面漫灌而非滴灌。秋末或初冬进行的称为冬灌，春播前进行的称为春灌。较大的淋洗水量促进盐分向下迁移，改善下一季棉花播种前的土壤水盐条件，这对棉花成苗尤为重要，因为萌发和早期幼苗生长对表层土壤过量盐分高度敏感。尽管年度冬灌对盐分淋洗有效，但需要大量淡水投入，在南疆水资源受限条件下日益难以维持。因此，"干播湿出"等节水栽培措施被广泛采用，该体系取消冬灌或春灌淋洗，将棉花播入相对干燥的土壤，随后通过滴灌促进出苗。虽然该措施减少了非生长季用水量，但用于作物建植的滴灌水量较小，去除土壤剖面盐分的能力有限。连续取消冬灌可能导致盐分积累并逐步改变土壤理化及生物学性质。这些对比效应表明，完全取消冬灌可能既不必要也不可取，而以适当间隔周期性进行冬灌可能在节水与土壤盐分控制之间提供实际折中。以往关于非生长季灌溉的研究主要集中于灌溉量和时间、土壤水盐再分布及后续作物表现，而改变冬灌频率的微生物学后果尚不清楚。该知识空白具有重要意义，因为土壤微生物活性和群落组成对盐分、水分有效性及土壤养分条件的变化高度响应。特别是，在年度冬灌不再可行时，周期性冬灌能否维持良好的土壤生态条件仍不清楚。

研究人员假设适度降低冬灌频率而非完全取消冬灌可在节约淡水的同时维持更有利的土壤水盐环境和土壤生物学功能。为验证该假设，在南疆膜下滴灌棉田开展长期田间试验，比较四种冬灌制度：年度冬灌（CK）、连续取消冬灌（H1）、两次冬灌之间隔一个不冬灌年份（H2）以及两次冬灌之间连续两个不冬灌年份（H3）。研究目标为：（i）确定冬灌频率如何影响土壤水盐分布和养分状况；（ii）评估土壤微生物生物量、酶活性、微生物多样性和群落组成的响应；（iii）识别连接冬灌管理与棉花幼苗建植和产量的主要土壤和微生物途径。

在技术方法方面，研究人员于2018年在新疆沙雅县海楼镇（41°13′ N，82°46′ E）建立长期田间试验，采用随机完全区组设计，设3个区组，每处理3个独立小区重复（n=3），小区面积220 m2。冬灌采用地面漫灌，每次3600 m3 ha?1。2022年生长季滴灌10次，总灌水量3900 m3 ha?1。于2022年3月14日（冬灌后约三个月、春播前约四周）采集土壤样品，按0–20、20–40、40–60、60–80和80–100 cm五个深度分层采集，每小区8个采样点混合为一个复合样品。0–20 cm样品用于测定土壤含水量、养分、有机质、微生物生物量碳氮、酶活性及微生物群落特征。土壤电导率（EC1:5）采用1:5土水比测定作为盐分指标；全氮（TN）采用凯氏定氮法，全磷（TP）采用钒钼黄比色法，全钾（TK）采用火焰光度法，土壤有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热法；蔗糖酶（ZHM）和脲酶（NM）活性分别采用3,5-二硝基水杨酸比色法和次氯酸钠比色法测定；微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸法测定。细菌16S rRNA基因V3–V4区采用引物338F/806R扩增，真菌ITS1区采用引物ITS2/ITS5扩增，在Illumina MiSeq PE250平台测序，经DADA2降噪生成扩增子序列变体（ASVs），计算Alpha多样性指数，采用NMDS排序可视化群落组成差异，LEfSe鉴定差异指示类群，RDA分析微生物群落与环境变量的关系。棉花出苗率于2022年5月2日调查，籽棉产量于2022年9月26日测定。

研究结果显示：在土壤盐分再分布方面，H1在0–100 cm剖面大多数土层土壤EC最高，较CK增加124.46–254.16%；H2和H3上层土壤EC低于H1，0–80 cm层H2降低35.14–69.95%，H3降低13.92–73.46%；H2和H3在0–60 cm层EC相近，60–100 cm层H3高于H2；CK在整个剖面大部分层次EC最低或相对稳定。在土壤水分和养分状况方面，H1土壤水分显著降低，H2和H3维持与CK相当的水分水平；与CK相比，H2和H3的TN分别增加13.67%和11.03%，SOM分别增加14.32%和23.41%，TP分别增加4.47%和6.36%，TK分别增加9.55%和23.85%；H1的SOM和TP分别较CK降低6.03%和12.99%。在微生物生物量和酶活性方面，H3的MBC较CK增加3.81%，CK、H1和H2间无显著差异；H1和H2的MBN较CK和H3显著降低4.21–9.79%；与CK相比，所有减频处理的脲酶和蔗糖酶活性均有所下降但幅度较小。在细菌和真菌Alpha多样性与丰富度方面，H1、H2和H3的细菌Shannon指数较CK分别增加8.79%、8.02%和11.43%，H3最高；Simpson指数无显著差异；H3的细菌Chao1指数达2470.18，较CK（1463.16）增加68.83%；所有减频处理的观测细菌物种数均显著高于CK，H1、H2和H3分别增加73.04%、69.43%和89.06%，H3最高；真菌Shannon指数在H1最高，H3介于H1和CK之间；H1、H2和H3的真菌Simpson指数均显著高于CK；H3真菌Chao1指数从CK的134.61增至223.55，增加66.07%，H2降低21.50%；H3观测真菌物种数增加51.56%，H1和H2分别降低14.17%和29.72%；总体H3细菌和真菌丰富度最高。在微生物群落组成方面，NMDS排序显示细菌群落部分分离，H1和H2样品位置较近，H3与其他处理明显分离，细菌NMDS stress值为0.0672；门水平上细菌群落以Proteobacteria、Actinobacteriota、Acidobacteriota、Gemmatimonadota、Chloroflexi、Firmicutes和Bacteroidota为主，合计占88.93%以上；相对CK，H1的Actinobacteriota、Acidobacteriota和Chloroflexi比例较高而Proteobacteria、Gemmatimonadota、Firmicutes和Bacteroidota较低，H2呈类似变化，H3群落特征更独特，Acidobacteriota和Bacteroidota增加而Proteobacteria、Actinobacteriota和Firmicutes减少。真菌群落H1和H2在NMDS排序中大量重叠，H3明显分离，stress值为0.152；Ascomycota、Basidiomycota和Mucoromycota为优势真菌门，合计占77.95%以上；相对CK，H1的Basidiomycota增加109.00%，H2增加71.36%；H3的Ascomycota相对丰度增加28.95%而Basidiomycota和Mucoromycota分别降低45.48%和88.71%。在LEfSe分析方面，以细菌LDA阈值4.25和真菌3.19，鉴定出20个判别性细菌类群和20个判别性真菌类群；细菌生物标志物数量顺序为H3>H2>CK>H1，H3富集Gemmatimonadota、Flavobacteriales和Flavobacteriaceae等；真菌生物标志物H3数量最多（13个），包括Ascomycota、Sordariales和Podosporaceae等。在RDA分析方面，细菌群落轴1和轴2分别解释63.26%和21.22%的总变异，EC（R2=0.863，p=0.008）、TK（R2=0.970，p=0.002）、SOM（R2=0.576，p=0.007）、MBC（R2=0.700，p=0.017）、MBN（R2=0.842，p=0.011）、脲酶（R2=0.966，p=0.003）和蔗糖酶（R2=0.978，p=0.003）与细菌群落结构显著相关；真菌群落轴1和轴2分别解释86.77%和8.73%的总变异，EC（R2=0.738，p=0.009）、TK（R2=0.782，p=0.011）、MBC（R2=0.641，p=0.025）、MBN（R2=0.645，p=0.020）、脲酶（R2=0.841，p=0.005）和蔗糖酶（R2=0.852，p=0.004）与真菌群落结构显著相关。在棉花出苗和产量方面，CK、H1、H2和H3出苗率分别为85.68%、78.93%、86.56%和92.07%；H1较CK显著降低7.88%，H3较CK显著提高7.46%，H2与CK无显著差异，H3显著高于H1和H2；籽棉产量分别为6353.36、6289.42、6448.48和6562.88 kg ha?1，处理间无显著差异（p>0.05）；Mantel分析表明棉花出苗率与真菌Shannon指数显著正相关，籽棉产量与细菌Chao1丰富度和观测细菌物种数正相关；TN和SOM与细菌丰富度和/或多样性指数正相关，MBC和MBN与脲酶和蔗糖酶活性密切关联。

讨论部分总结如下：冬灌通过补充土壤水分和促进盐分淋洗在调节干旱灌溉农田土壤水盐状况中发挥重要作用；本研究中秋冬灌缺失（H1）导致0–100 cm剖面大部分层次盐分最高，证实仅靠生长季滴灌不足以在South Xinjiang强蒸发条件下防止盐分积累；周期性冬灌部分缓解了盐分积累，但H2和H3盐分仍高于CK，表明降低冬灌频率涉及节水与控盐之间的权衡；H3在0–60 cm层EC相对较低而60–100 cm层EC高于H2的垂直格局与冬灌促进可溶性盐向深层再分布的可能性一致，但由于EC仅在一个采样日期测定，不能直接证明盐分运输的方向或幅度；冬灌频率也影响表层土壤养分状况，H2和H3的SOM、TN、TP和TK高于CK而H1土壤水分、SOM和TP较低，一种可能解释是反复漫灌可能增强溶质向下运输从而增加溶解性有机碳和移动性养分组分的累积损失，但本研究未直接测定养分淋洗和养分通量，该解释应视为假设而非已证实机制，且TN、TP和TK代表全量养分库而非植物有效养分；土壤生物学性质对灌溉频率呈非线性响应，H3的MBC最高，H3的MBN与CK相当且高于H1和H2，而所有减频处理的脲酶和蔗糖酶活性略低于CK，表明微生物生物量和胞外酶活性对冬灌频率的响应并不一致；综合来看，年度冬灌对土壤盐分控制最强，完全取消冬灌导致盐分过度积累和多种土壤性质恶化，H3在保持显著优于H1的根区盐分状况的同时维持了较高的养分含量和微生物生物量，这种中间响应是水资源受限条件下考虑周期性而非年度冬灌的主要依据。土壤微生物群落对水分、盐分和养分有效性变化敏感，是灌溉管理生态后果的有用指示物；本研究中冬灌频率改变了细菌和真菌Alpha多样性及群落组成，但响应并非随灌溉频率单调变化；H1下较高的微生物多样性不应必然解释为土壤质量改善，因为H1同时具有最高盐分和较低土壤水分及养分状况，此种条件下多样性变化可能反映环境过滤和耐盐耐旱类群的重分布而非微生物栖息地质量的整体改善；H1下细菌多样性增加与多种土壤理化性质恶化同时出现，凸显了将多样性指数与环境条件结合解读而非作为土壤健康独立指标的重要性；H1下Actinobacteria相关类群的富集与盐分和水分胁迫可重塑细菌群落并有利于耐胁迫微生物群落的更广泛观察一致；H3在NMDS排序中产生区别于CK、H1和H2的微生物群落组装并含有最多细菌和真菌LEfSe生物标志物；真菌水平上H3以Ascomycota相对丰度较高和Basidiomycota及Mucoromycota较低为特征；RDA识别的 relationships 进一步表明微生物响应与土壤环境变化密切关联；总体而言，在播前采样日期，H3以较高的细菌和真菌丰富度及区别于年度冬灌和完全取消冬灌的微生物群落组成为特征，结合H3下较高的SOM和微生物生物量，表明H3制度在采样时与一组独特且相对有利的土壤生物学特征相关；但微生物群落和酶活性仅评估一次，不能证明这些差异在整个后续生长季持续存在或代表长期微生物稳定性。棉花出苗对冬灌频率的响应强于籽棉产量；H3出苗率最高（92.07%）且显著高于CK、H1和H2，而完全取消冬灌（H1）显著降低出苗；这些响应与棉花建植对萌发和早期幼苗生长期间土壤水分和盐分条件的高度敏感性一致；H1下高土壤盐分和低土壤水分为其较低出苗率提供了合理解释，而H3下周期性冬灌维持了优于完全取消冬灌的播前土壤环境；与出苗不同，籽棉产量处理间无显著差异，尽管H3产量数值最高；这一区别很重要：本研究结果支持H3下作物建植的改善但未证明产量增加；H3下无显著产量损失仍具有农艺学意义，因为该处理较CK大幅降低了冬灌频率；相关分析表明棉花出苗与真菌Shannon多样性正相关而籽棉产量与细菌丰富度正相关，但作物与微生物变量间的相关不能建立微生物对出苗或产量的直接控制，这些关联应解释为土壤性质、微生物群落和作物表现对 contrasting 冬灌制度的协同响应而非直接因果途径的证据。研究局限性包括：出苗和产量仅在一个生长季评估，无显著产量差异不能解释为减频冬灌多年维持产量的证据；微生物群落、生物量和酶活性仅在播前一个采样日期评估，表征的是特定时间点的处理相关差异而非季节动态或长期稳定性；仅包含一个棉花品种和一个试验点；推断的机制主要基于统计关联；2022年测定不能完全区分多年灌溉历史的累积效应与最近一次冬灌事件的效应。结论部分翻译如下：冬灌频率显著影响南疆滴灌农田土壤水盐状况、养分状况、生物学性质、微生物群落和棉花建植。完全取消冬灌（H1）导致最大盐分积累并伴随较低的土壤水分、SOM、TP和棉花出苗率。年度冬灌（CK）对土壤盐分控制最强，但表层土壤养分含量低于周期性灌溉处理。H3在两次冬灌之间连续两个不冬灌年份，产生中间型水盐响应；与H1相比，H3上层土壤剖面盐分积累大幅降低，并在播前采样日期伴随较高的SOM、TN、TP、TK、微生物生物量和微生物丰富度；H3还产生最高的棉花出苗率；籽棉产量处理间无显著差异，尽管H3产量数值最高。RDA表明微生物群落组成与土壤盐分、养分状况、微生物生物量和酶活性密切关联。总体而言，结果表明在研究区盐渍化和干旱条件下完全取消冬灌不适宜，而降低冬灌频率可能在控盐、土壤质量和灌溉节水之间提供可行折中；在所测试的制度中，H3在土壤养分状况、微生物特征和棉花建植方面表现出最有利的综合组合且无显著产量损失；然而，在该制度被推荐为南疆长期管理策略之前，需要对作物产量、土壤水盐动态和灌溉用水进行多年测定。