来源：A sustainable strategy for saline agriculture: Integrating magnetoelectric brackish water and Bacillus subtilis to enhance water productivity and crop yield（Journal of Agriculture and Food Research）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
干旱区土壤盐渍化与水资源短缺双重胁迫下，如何用咸水种出好菜？本研究将磁电处理苦咸水与枯草芽孢杆菌施用相结合，在新疆温宿县开展盆栽试验。结果显示，磁电苦咸水灌溉可将0–20 cm土层脱盐效率提升至29.98–39.72%，配合30 g kg⁻¹菌剂施用时小白菜产量达56.57 t ha⁻¹，较常规苦咸水增产53.7%。该策略为盐碱农业提供了一条低成本、环境友好的技术路径。
研究背景
全球约8.31亿公顷农田受盐渍化影响，干旱半干旱地区淡水资源匮乏与天然盐碱土、苦咸地下水问题叠加，农业生产举步维艰。新疆作为我国重要蔬菜产区，栽培面积超270万公顷，但多地土壤盐分超过3 g L⁻¹，地下水矿化度达3–5 g L⁻¹，严重制约作物产量。传统盐碱农业治理或依赖成本高昂的淡化技术，或依靠化学改良剂，均存在经济与环境瓶颈。小白菜（Brassica campestris L.）生长快、营养价值高，但属中度盐敏感作物，土壤盐分超过2 g kg⁻¹时产量大幅下降。近年来磁电水处理技术展现出改善灌溉水性质的潜力，然而磁电处理与微生物菌剂联合施用于盐胁迫作物的协同效应尚不清楚。本研究旨在探究磁电苦咸水灌溉与枯草芽孢杆菌配施对根际水盐环境的联合调控机制，及其对小白菜生产力的提升效果。
研究方法
2.1 试验站点特征
试验在西安理工大学干旱区绿色高效农业试验站（41°27′N，80°25′E，海拔1029.81 m）进行，该站位于中国新疆维吾尔自治区阿克苏市温宿县（图1）。
站点属大陆性暖温带干旱气候，年均气温10 °C，年降水量65.4 mm，年潜在蒸散量超过1000 mm。日均日照时数2800–3100 h，无霜期约185天。试验期间（2024年7月5日至8月30日），气温范围14.2 °C至40.4 °C，降水极少，代表了极端干旱农业的典型条件。供试土壤采自试验站生产田0–30 cm土层，风干、压碎后过2-mm筛。粒径分析判定土壤质地为砂质黏土（黏粒15.66%、粉粒24.86%、砂粒59.48%），容重1.63 g cm⁻³。初始土壤化学性质为：碱解氮21.19 mg kg⁻¹、速效磷10.08 mg kg⁻¹、速效钾114 mg kg⁻¹、有机质3.81 g kg⁻¹、pH 8.05、全盐含量1.56%，呈现该区域典型的轻度盐碱特征。
【数据】年均气温：10°C；年降水量：65.4 mm；试验期气温：14.2–40.4°C；土壤质地：砂质黏土（黏粒15.66%、粉粒24.86%、砂粒59.48%）；容重：1.63 g cm⁻³；碱解氮：21.19 mg kg⁻¹；速效磷：10.08 mg kg⁻¹；速效钾：114 mg kg⁻¹；有机质：3.81 g kg⁻¹；pH：8.05；全盐含量：1.56%
2.2 试验材料与处理
植物材料与栽培系统： 供试小白菜品种购自哈立德种业有限公司，选其速生性与区域适应性。栽培容器为硬质塑料圆筒盆（高0.50 m，半径0.25 m），底部设有均匀排水孔。每盆底部铺设5-cm砾石过滤层，其上填入30 cm过筛土并按目标容重（1.63 g cm⁻³）压实。盆栽置于0.5 m深田间坑内，按随机完全区组排列，以模拟自然土壤热力与水分状况。种植密度为2.04 × 10⁶ 株 ha⁻¹，与当地商业栽培实践一致。
灌溉水源： 设两种灌溉水源（W）：未处理苦咸水（B）与磁电处理苦咸水（MB）。B处理使用当地地下水，初始矿化度3.23 g L⁻¹，pH 8.04。MB处理通过专利磁电装置（西安理工大学，中国；专利号CN 113511772 A）处理原苦咸水制得，标定磁场强度3000 Gs。文献报道的假设机制为：苦咸水流经正交磁场时，溶剂化的Na⁺和Cl⁻离子发生洛伦兹偏转，可能诱导局部电荷分离。该过程被认为会改变溶液整体静电平衡，驱动部分主要盐离子去除。磁电处理显著降低了Na⁺（从981.0降至450.7 mg L⁻¹）和Cl⁻（从1598降至835 mg L⁻¹）的绝对浓度，最终将总矿化度降至1.754 g L⁻¹（pH 7.96）。为防止性质退化，所有磁电处理均在每次灌溉前即刻完成。
生物改良剂： 采用载体型商业生物制剂（潍坊骏德生态有限公司，中国）作为土壤改良剂，基础活菌数≥10¹⁰ CFU g⁻¹。化学惰性载体基质为标准矿物复合物，由膨润土、硅藻土、高岭土和滑石组成。为提供充足的初始微生物接种量，按0、5、10、20、30、40 g kg⁻¹干土的施用量在装盆前与土壤均匀混合。需说明的是，因施用载体型制剂，梯度用量（0–40 g kg⁻¹）代表商业产品总质量，包含枯草芽孢杆菌菌体及矿物载体。
试验设计： 试验采用2 × 6因子完全随机区组设计（RCBD），设3次重复。每盆为独立试验单元（生物学重复），共36盆（n = 3）。因子A为两种灌溉水源（B、MB），因子B为6个枯草芽孢杆菌施用量。处理编码为：苦咸水处理BCK（0 g kg⁻¹）及B1–B5（分别为5、10、20、30、40 g kg⁻¹）；磁电苦咸水处理MBCK及MB1–MB5（相同用量序列）。全生育期57天总灌水量400 m³ ha⁻¹，于关键生育阶段（苗期、营养期、分化期、开花期、成熟期）施用。所有处理播种前统一施用基肥350 kg ha⁻¹复合肥（N-P₂O₅-K₂O：15%-21%-19%）。病虫害防治遵循该地区标准的综合病虫害管理方案。
【数据】种植密度：2.04 × 10⁶ 株 ha⁻¹；B水矿化度：3.23 g L⁻¹，pH 8.04；MB水矿化度：1.754 g L⁻¹，pH 7.96；磁场强度：3000 Gs；Na⁺：981.0→450.7 mg L⁻¹；Cl⁻：1598→835 mg L⁻¹；菌剂活菌数：≥10¹⁰ CFU g⁻¹；菌剂用量梯度：0–40 g kg⁻¹；灌水量：400 m³ ha⁻¹；生育期：57天；基肥：350 kg ha⁻¹（N-P₂O₅-K₂O：15%-21%-19%）
2.3 测定方案与取样策略
生长参数测定： 每处理随机选取3株植株，于5个生育阶段（播种后7天苗期、18天营养期、29天分化期、43天开花期、57天成熟期）测定株高（H）和叶片尺寸。叶面积（LA）由所有叶片的长（L）、宽（W）测定值按系数公式计算：
(1) LAI = 0.75 × (1/n) × Σ(Lᵢ × Wᵢ) × ρ / (10⁴ × S)
式中m为总叶片数，n为样本量，ρ为种植密度（株 ha⁻¹），S为取样面积（m²）。
生理特性表征： 相对叶绿素含量（SPAD）在各生育阶段使用手持叶绿素仪（LYS-B，格林博仪器，中国）对第三片完全展开叶进行非破坏性测定。成熟期使用Li-6400 XT便携式光合系统在受控条件下测定光合光响应曲线。光合有效辐射（PAR）以人工光源从0到2500 μmol m⁻² s⁻¹变化，各光强下记录净光合速率（Pₙ）。采用非直角双曲线模型拟合数据：
(2) Pₙ = [αI + Pₙmax − √((αI + Pₙmax)² − 4IαkPₙmax)] / (2k) − R_d
式中α为表观量子效率，Pₙmax为最大净光合速率，k为光响应曲线凸度，R_d为暗呼吸速率。光饱和点（I_sat）、光补偿点（I_c）及光响应工作区间（ΔI = I_sat − I_c）由拟合参数推导得出。
土壤水盐分析： 成熟期每处理3个重复盆中按5-cm间隔从0至30 cm深度采集土芯。土壤含水量（SWC，cm³ cm⁻³）采用105 °C烘干至恒重的重量法测定。土壤盐分含量（SSC，g kg⁻¹）使用电导率仪（P902，上海佑科，中国）测定1:5土水比浸提液，电导率（EC₁:₅）按校准方程换算为盐分含量：
(3) SSC = 4.426 × EC₁:₅ + 0.945
0–30 cm剖面土壤贮水量（SWS，mm）计算为：
(4) SWS = 10 × Σ(Dᵢ × SWCᵢ)
式中Dᵢ为土层厚度（cm）。相对盐分淋洗效率量化公式为：
(5) K = (SSCᵢ − SSC₀) / SSC₀ × 100%
式中K为正值表示相对累积率（RAR），负值表示相对脱盐率（RDR）。
产量与生物量测定： 生理成熟期收获每盆全部地上部生物量，用高精度天平（±0.01 g）称量鲜重。理论产量（Y，t ha⁻¹）按盆产量换算至面积基准：
(6) Y = FW_pot × ρ
式中FW_pot为每盆鲜重。
【数据】SPAD测定仪器：LYS-B手持叶绿素仪；光合测定：Li-6400 XT；PAR范围：0–2500 μmol m⁻² s⁻¹；烘干温度：105°C；土水比：1:5；土层间隔：5 cm；天平精度：±0.01 g
研究结果
3.1 对根际水盐环境的联合效应
#### 3.1.1 土壤保水与贮水动态
小白菜成熟期0–30 cm剖面土壤含水量随深度递减，枯草芽孢杆菌施用显著增强了土壤保水能力（图2）。
两种灌溉条件下，SWC随菌剂用量从5至30 g kg⁻¹逐步增加，在30 g kg⁻¹（B4、MB4）达最大值；继续增至40 g kg⁻¹时，B5和MB5的平均SWC较各自30 g kg⁻¹处理分别降低13.23%和15.43%。相同菌剂用量下，磁电苦咸水处理的SWC始终高于常规苦咸水，差异在10–20 cm土层最为明显。MBCK较BCK平均SWC提高8.7%——两者均未施用菌剂，证明磁电处理单独即可改善土壤保水能力。
0–30 cm土层土壤贮水量反映了处理综合效应（图3）。
苦咸水灌溉下，SWS在B4处理达峰值90.88 mm，较BCK（57.73 mm）提高57.42%（P < 0.01），随后B5降至77.42 mm（降幅14.81%）。磁电苦咸水灌溉放大了这一趋势：MB4实现最大SWS 100.15 mm——较MBCK（64.05 mm）提高56.34%，较B4高出10.19%（P < 0.05）。即使在超适宜用量（40 g kg⁻¹）下，MB5的SWS仍比B5高5.59%，表明磁电处理部分缓冲了过量生物改良剂的负面效应。
【数据】B5较B4平均SWC降幅：13.23%；MB5较MB4平均SWC降幅：15.43%；MBCK较BCK平均SWC增幅：8.7%；B4的SWS：90.88 mm；BCK的SWS：57.73 mm（+57.42%，P<0.01）；B5的SWS：77.42 mm（较B4降14.81%）；MB4的SWS：100.15 mm（较MBCK +56.34%，较B4 +10.19%，P<0.05）；MB5较B5的SWS高5.59%
#### 3.1.2 盐分分布格局与淋洗效率
盐分分布剖面揭示了两种灌溉水源间的显著差异（图4）。
在关键的10–20 cm深度范围，磁电苦咸水灌溉使所有菌剂处理下的SSC降至3.0 g kg⁻¹以下，有效缓解了盐胁迫；而苦咸水灌溉的SSC超过3.5 g kg⁻¹。苦咸水灌溉在约20 cm深度出现明显盐分累积，磁电处理则促进了盐分持续向下迁移。磁电处理在25–30 cm土层的盐分累积超过苦咸水处理，与上层淋洗增强一致。MB4在30 cm处的RAR仅为8.75%，而B4为24.72%（P < 0.05）。
脱盐效率分析量化了磁电苦咸水与枯草芽孢杆菌的增强效应（图5）。
苦咸水灌溉下，RDR随菌剂施用逐步增加但幅度有限：B1（5 g kg⁻¹）仅实现10.38–14.14%的RDR，B4（30 g kg⁻¹）达到22–28%的RDR。相比之下，磁电苦咸水灌溉的脱盐效果显著增强：MB4处理在0–20 cm剖面实现29.98–39.72%的RDR，盐分去除量高于常规苦咸水灌溉下同等菌剂用量的处理。
【数据】苦咸水10–20 cm SSC：>3.5 g kg⁻¹；磁电苦咸水10–20 cm SSC：<3.0 g kg⁻¹；MB4在30 cm处RAR：8.75%；B4在30 cm处RAR：24.72%（P<0.05）；B1的RDR：10.38–14.14%；B4的RDR：22–28%；MB4的RDR：29.98–39.72%
3.2 联合调控下的生理响应模式
#### 3.2.1 叶绿素动态与光合能力
相对叶绿素含量呈现先升后降的时间变化：分化期前逐步升高，之后向成熟期逐渐下降（表1）。两种灌溉条件下，与未接种对照相比，枯草芽孢杆菌施用在各生育阶段均显著提高SPAD值（P < 0.05），磁电苦咸水进一步放大了这一效应。营养期MBCK的SPAD较BCK高7.17%——两者均未施菌。处理间差异最显著出现在分化期和开花期：MB4的SPAD分别达49.39和39.53——较BCK提高25.06%和21.17%（P < 0.01）。
【数据】MBCK较BCK营养期SPAD增幅：7.17%；MB4分化期SPAD：49.39（较BCK +25.06%，P<0.01）；MB4开花期SPAD：39.53（较BCK +21.17%，P<0.01）
#### 3.2.2 光响应曲线变化特征
成熟期小白菜生长趋于稳定。研究此阶段光合作用对理解灌溉水源与枯草芽孢杆菌的联合调控至关重要，也有助于分析菌剂对小白菜生理性状的影响（图6）。
随PAR升高，Pₙ逐渐上升但受强光抑制。接近光饱和点（I_sat）时Pₙ增速放缓并趋于稳定。基于前期研究，采用非直角双曲线模型拟合分析，拟合效果良好（R² > 0.99）。磁电苦咸水灌溉下Pₙ总体高于苦咸水灌溉。两种灌溉条件下，Pₙ最大值均出现在菌剂用量30 g kg⁻¹处理。这些结果反映了磁电苦咸水处理与菌剂施用对作物光合的积极影响。在PAR为2500 μmol m⁻² s⁻¹时，MB4的Pₙ较对照提高约4.20%–51.48%，B4较对照提高约9.43%–42.47%。此外，MB4的Pₙ较B4高10.23%。
特征参数分析揭示了生理层面的差异（表2）。Pₙmax在两种灌溉类型下均随菌剂施用而增加，但磁电处理显著放大了这一响应：MB4的Pₙmax达26.33 μmol m⁻² s⁻¹，B4为22.86 μmol m⁻² s⁻¹——增幅15.18%（P < 0.05）。I_sat呈现相似模式，MB4达1429.43 μmol m⁻² s⁻¹。MB4的ΔI达1357.97 μmol m⁻² s⁻¹——较B4（1061.53 μmol m⁻² s⁻¹）高27.90%。
【数据】模型拟合R²：>0.99；PAR 2500时MB4较对照Pₙ增幅：4.20%–51.48%；B4较对照Pₙ增幅：9.43%–42.47%；MB4较B4 Pₙ增幅：10.23%；MB4的Pₙmax：26.33 μmol m⁻² s⁻¹；B4的Pₙmax：22.86 μmol m⁻² s⁻¹（+15.18%，P<0.05）；MB4的I_sat：1429.43 μmol m⁻² s⁻¹；MB4的ΔI：1357.97 μmol m⁻² s⁻¹（较B4的1061.53高27.90%）
3.3 生长动态与建模分析
#### 3.3.1 株高与叶面积指数发育
株高在整个生育期持续增加，营养生长后处理效应逐渐增强（图7）。
成熟期MB4株高达30.23 cm，显著超过所有其他处理（P < 0.05），较MBCK提高25.72%，较B4高18.84%。两种灌溉均在30 g kg⁻¹菌剂用量下出现最优响应，超适宜用量（40 g kg⁻¹）则抑制株高：B5较B4降低11.90%，MB5较MB4下降10.47%。统计分析显示，枯草芽孢杆菌施用对小白菜全物候期株高具有极显著的持续主效应（P < 0.01）（表S1）。但至成熟期，灌溉水源与菌剂的交互效应对最终株高不显著（P > 0.05）。
各处理LAI随时间持续上升（图8），成熟期达峰值，表明该阶段为小白菜叶面积快速扩展期。
不同处理间小白菜LAI生长差异显著（P < 0.05）。相同菌剂处理下，磁电苦咸水灌溉的LAI总体高于常规苦咸水，表明磁电处理通过改善离子吸附能力缓解盐胁迫。然而，不同菌剂用量下这一趋势并非完全一致。例如开花期MB5的LAI低于B5，提示灌溉水源与菌剂用量之间存在差异化耦合效应，在不同生育阶段对小白菜LAI产生不同的促进效果。总体而言，提高菌剂施用量显著促进了小白菜LAI增长。
【数据】MB4成熟期株高：30.23 cm（较MBCK +25.72%，较B4 +18.84%，P<0.05）；B5较B4株高降幅：11.90%；MB5较MB4株高降幅：10.47%；菌剂主效应：P<0.01；交互效应（成熟期）：P>0.05；LAI处理间差异：P<0.05
讨论与解读
4.1 磁电与枯草芽孢杆菌联合干预优化土壤水盐动态与淋洗效率
本研究证实，磁电苦咸水灌溉与枯草芽孢杆菌施用相结合，其根际水盐调控效果优于任一单一干预，支持了关于综合环境改良的研究假设。MB4处理实现的56.34%土壤贮水增量与29.98–39.72%脱盐效率，显著超过文献报道的磁电处理单独效果（通常15–30%）或生物改良剂单独应用的效果，为正向交互响应提供了量化证据。这些综合改良效果与传统节水抑盐技术相当，对缓解盐碱胁迫有积极贡献，且比单因子矿物或有机干预为土壤基质重构提供了更强驱动力。观测到的农艺效益通过相互依存的物理与生物响应发挥作用。文献将磁电处理的作用机制概念化为：磁场破坏氢键网络与电场诱导偶极重排，可能改变水分子簇结构，表现为表面张力降低（5–8%）和黏度下降，从而增强水的入渗与盐分淋洗能力。
4.2 编译者解读
本研究将磁电水处理这一物理手段与微生物改良这一生物手段进行正交耦合，思路巧妙。物理改水降低盐分负荷，生物改良改善根际微环境，二者形成"上减下排"的协同架构——这在盐碱农业技术体系中并不多见。从合成生物学应用视角看，枯草芽孢杆菌作为模式促生菌，其载体型制剂虽便于田间操作，但40 g kg⁻¹高用量下出现的产量回调提示菌剂载体矿物可能对土壤孔隙产生物理阻塞。未来若能结合工程菌株的定殖动态监测与代谢产物分析，将有助于厘清"磁电改水—微生物促生—土壤脱盐"链条中的因果贡献。当前证据仍限于盆栽尺度，田间验证与成本核算是走向应用的关键一步。
参考来源
Lei Q. A sustainable strategy for saline agriculture: Integrating magnetoelectric brackish water and Bacillus subtilis to enhance water productivity and crop yield. Journal of Agriculture and Food Research, 2026.
DOI: 10.1016/j.jafr.2026.103048
DOI: 10.1016/j.jafr.2026.103048