来源：Bacillus subtilis improves cotton photosynthetic traits and production by optimizing soil water-salt-nitrogen conditions under the brackish water irrigation（Soil and Tillage Research）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
淡水资源短缺制约着新疆棉花产业发展，微咸水灌溉虽可缓解用水压力，却易引发土壤盐渍化与减产。本研究在新疆阿拉尔开展田间试验，探索枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在淡水与咸水灌溉下对土壤水盐氮状况及棉花生产的调控效应。结果表明，施用枯草芽孢杆菌可抑制咸水灌溉引起的土壤盐渍化，减少水分与氮素损失，优化土壤微生物群落结构与功能，最终提高棉花光合效率、水分利用效率和产量。该研究为干旱区棉花产业在咸水资源利用条件下的可持续发展提供了微生物调控路径。
研究背景
淡水短缺正日益制约全球干旱区农业的可持续发展。新疆是全球典型的干旱区，面积约1.665×10⁶ km²，依托丰富的光热与土地资源，已发展成为全国最大的棉花种植基地，贡献了全国棉花产量的90.99%。然而，高蒸发、低降水的干旱特征使淡水供需矛盾尤为突出，严重限制了当地棉花产业。新疆地下咸水资源相对丰富，以咸水替代淡水进行农业灌溉，是缓解淡水资源约束的有效途径。但咸水灌溉会向土壤引入盐分，增加土壤盐渍化风险，降低土壤水势并干扰微生物氮转化，使棉花面临水盐胁迫和养分限制。枯草芽孢杆菌已被证明具有缓解此类不利影响的潜力，但其具体功效与调控机制尚不明确。本研究在新疆干旱区设置淡水与咸水灌溉条件下施用0和45 kg·ha⁻¹枯草芽孢杆菌的田间试验，系统探究其对土壤条件及棉花（塔河2号）生产的调控效应。
研究方法
2.1 试验地点
试验于2023年至2024年在中国西北部新疆阿拉尔市水利局灌溉试验站（40°37'N，81°12'E）进行。研究区属温带极端干旱大陆性荒漠气候，光照充足、降雨稀少。年有效积温为3941°C，年平均蒸发量和降水量分别为2217 mm和46 mm。试验站浅层地下水位约在3.5 m以下。供试土壤基本性质见表S1。
【数据】年有效积温：3941°C；年均蒸发量：2217 mm；年均降水量：46 mm；地下水位：约3.5 m以下
2.2 试验设计
试验设置两种灌溉模式：淡水（FW）和咸水（BW）。每种灌溉模式下设置两个处理：不施用枯草芽孢杆菌（N处理）和施用45 kg·ha⁻¹枯草芽孢杆菌（A处理）。因此，试验共包含4个处理（FW-N、FW-A、BW-N和BW-A），每个处理设3次重复。棉花（塔河2号）按照当地机采棉种植布局栽种子试验坑中（图S1）。试验坑规格为3.3 m × 2 m × 3 m，底部安装排水系统，共使用12个试验坑。
淡水取自试验站深层地下水（盐度：1.2 g·L⁻¹）。基于新疆地区盐度为3 g·L⁻¹的咸水储量丰富且以Na⁺和Cl⁻浓度较高为特征的现状，试验用咸水通过使用工业盐（NaCl）将淡水盐度提升至3 g·L⁻¹获得。枯草芽孢杆菌接种剂为可湿性粉剂（1000亿CFU·g⁻¹）。45 kg·ha⁻¹的施用量基于本课题组多年田间试验确定，该用量被认定为枯草芽孢杆菌提升作物生产力的最优施用量。
本试验中，棉花播种和收获时间分别为4月13日和10月15日。播种前一周，每个试验坑接受一次春季淡水灌溉（180 mm），以淋洗土壤盐分并满足棉花苗期水分需求。播种前，将枯草芽孢杆菌喷施于试验坑中，并施用600 kg·ha⁻¹复合肥（N:P₂O₅:K₂O = 14:16:15）；随后通过旋耕将这些物料均匀混入土壤。为确保试验一致性，不施用枯草芽孢杆菌的试验坑接受等量清水喷施，随后进行相同的施肥和旋耕操作。
棉花生长期间，采用膜下滴灌方式分别进行淡水和咸水灌溉。滴灌带直径为16 mm。滴头为贴片式，间距30 cm，流量2.2 L·h⁻¹。共进行10次灌溉，每次灌溉定额为35 mm。具体而言：苗期不灌溉；蕾期灌溉3次，灌溉间隔10天；花铃期灌溉7次，灌溉间隔7天；吐絮期停止灌溉。此外，按照常规管理经验，各处理在每次灌溉的后半段通过滴灌统一追肥。施氮方案的详细信息见表S2。
【数据】枯草芽孢杆菌施用量：45 kg·ha⁻¹；菌剂规格：1000亿CFU·g⁻¹可湿性粉剂；复合肥用量：600 kg·ha⁻¹（N:P₂O₅:K₂O = 14:16:15）；淡水盐度：1.2 g·L⁻¹；咸水盐度：3 g·L⁻¹；试验坑规格：3.3 m × 2 m × 3 m；滴灌带直径：16 mm；滴头间距：30 cm；滴头流量：2.2 L·h⁻¹；灌溉次数：10次；单次灌水量：35 mm；蕾期灌溉：3次×间隔10天；花铃期灌溉：7次×间隔7天；春灌水量：180 mm
2.3 指标测定
#### 2.3.1 土壤水盐氮状况
土壤水分： 在棉花5个生长阶段，使用土钻（直径7 cm）从试验坑中采集土壤样品。具体而言，分别在滴灌带正下方和相邻滴灌带之间采集样品。由于棉花根系主要分布于0–60 cm土层，总采样深度设为60 cm，每10 cm间隔采集一个子样品。一部分样品用于烘箱干燥法测定土壤含水量，其余部分分为两份子样品，分别用于风干保存和−20°C冷冻保存。
土壤盐度： 风干土样研磨后过2 mm筛，按土水重量比1:5制备浸提液。使用DDS-307A电导率仪（上海精密科学仪器有限公司，中国）测定浸提液电导率以表征土壤盐度。
土壤速效氮含量（AN）： 冷冻保存的土样用2 mol/L KCl溶液提取，然后使用全自动间断化学分析仪（Smartchem 450，AMS Alliance，法国）测定NH₄⁺-N和NO₃⁻-N含量，二者合计构成土壤AN。
【数据】土钻直径：7 cm；采样深度：0–60 cm（每10 cm间隔）；土壤浸提液土水比：1:5；电导率仪型号：DDS-307A；KCl提取液浓度：2 mol/L；分析仪型号：Smartchem 450
#### 2.3.2 棉花生理指标
光合特性： 在棉花各生长阶段，选择晴朗无风天气，于9:00至11:00之间，在每个试验坑中选取3株长势一致的棉花样品，使用CI-340光合作用测定系统（CID公司，美国）分别测定叶片净光合速率（Pn，μmol·m⁻²·s⁻¹）、蒸腾速率（Tr，mmol·m⁻²·s⁻¹）、气孔导度（Gs，mmol·m⁻²·s⁻¹）和胞间CO₂浓度（Ci，μmol·m⁻²·s⁻¹）。基于这些指标，进一步计算反映光合碳同化与蒸腾失水协调关系的瞬时水分利用效率（iWUE，μmol·mmol⁻¹）和内在水分利用效率（IWUE，μmol·mmol⁻¹）。此外，测定代表光合作用羧化阶段生化效率的瞬时羧化效率（CE，μmol μmol⁻¹）。这三项指标共同表征整体光合效率。具体计算公式如下：
(1) iWUE = Pn/Tr
(2) IWUE = Pn/Gs
(3) CE = Pn/Ci
SPAD值： 在测定棉花光合特性期间，使用SPAD-502叶绿素计（柯尼卡美能达公司，日本）测定叶片SPAD值以量化叶绿素含量。
【数据】光合测定时间：9:00–11:00；仪器型号：CI-340光合系统、SPAD-502叶绿素计
#### 2.3.3 棉花生长指标
在棉花5个生长阶段，从每个试验坑中选取3株长势一致的棉花样品测定其生长指标。棉花株高和茎粗分别使用卷尺和游标卡尺测量。用直尺测量每片棉叶的长度和宽度后，采用系数法（换算系数：0.75）确定叶面积，然后通过公式(4)获得棉花叶面积指数（LAI）：
(4) LAI = PD × TA / 3
其中PD表示植物密度（株·m⁻²）；TA表示3株棉花样品的总叶面积（m²）。
【数据】叶面积换算系数：0.75；样品数：每坑3株
#### 2.3.4 棉花总生物量（TBM）和总氮含量（TN）
在棉花5个生长阶段，从每个试验坑中取3株长势一致的棉花样品，将其分为营养器官（枝、叶和茎）和生殖器官（蕾、花和铃）。样品在105°C下烘干30分钟，然后在70°C下进一步烘干至恒重以测定棉花TBM。干燥后的棉花样品随后研磨，并用催化剂和浓硫酸消煮，之后采用凯氏定氮法测定其TN。
【数据】烘干温度：105°C（30 min）→ 70°C（至恒重）；测定方法：凯氏定氮法
#### 2.3.5 籽棉产量（SCY）、水分利用效率（WUE）和氮肥偏生产力（PFPN）
收获时测定12个试验坑的SCY（kg·ha⁻¹）。同时，采用水量平衡法测定棉花蒸散量（ET，mm）以计算WUE（kg·m⁻³）；NPFP（kg·kg⁻¹）根据总施氮量（FN，kg·ha⁻¹）计算。计算公式如下：
(4) WUE = 0.1 SCY/ET
(5) NPFP = SCY/FN
【数据】SCY单位：kg·ha⁻¹；WUE单位：kg·m⁻³；PFPN单位：kg·kg⁻¹
#### 2.3.6 土壤微生物群落
从3株棉花样品采集根际土壤……（原文后续内容未在节选范围内）
【数据】根际土壤采集：3株棉花样品（原文未详述后续处理细节）
研究结果
3.1 土壤含水量、盐度和速效氮
从灌溉开始到结束，各处理土壤含水量呈先增加后减少的趋势（图1a）。在空间上，苗期和吐絮期0–40 cm土层含水量低于40–60 cm土层；从蕾期到铃期，0–40 cm土层含水量逐渐增加并超过40–60 cm土层。在相同的枯草芽孢杆菌处理下，与淡水灌溉相比，咸水灌溉使棉花生长季平均土壤含水量增加了3.00–13.29%（0–40 cm土层）和2.50–7.29%（40–60 cm土层）。在淡水灌溉下，施用枯草芽孢杆菌使平均土壤含水量增加了4.91%（0–40 cm土层）和1.66%（40–60 cm土层）。相比之下，在咸水灌溉下，BW-A处理的平均土壤含水量较BW-N处理降低了4.62%（0–40 cm土层）和2.88%（40–60 cm土层）。
就土壤盐度而言（图1b），淡水灌溉降低了盐度，而咸水灌溉则产生相反效应。施用枯草芽孢杆菌降低了土壤盐度。与N处理相比，A处理使平均土壤盐度降低了6.87–8.44%（0–40 cm土层）和3.70–4.01%（40–60 cm土层）。
此外，随着棉花生长推进，土壤AN呈先增加后减少的趋势（图1c）。与土壤AN相对稳定的40–60 cm土层相比，0–40 cm土层表现出更大的AN波动。与淡水灌溉相比，咸水灌溉使0–40 cm土层平均土壤AN降低了13.40%–15.28%（图1f），同时伴随土壤AN中NH₄⁺-N比例增加和NO₃⁻-N比例降低（图S2）。枯草芽孢杆菌的施用改善了土壤养分状况，使AN增加了13.40–15.28%，并提高了AN中NO₃⁻-N的比例。值得注意的是，在对灌溉模式和枯草芽孢杆菌施用最敏感的0–40 cm土层（图1d-f），BW-N处理与FW-A和FW-N处理之间的土壤水盐氮状况差异显著（P < 0.05）。然而，BW-A与FW-N处理之间未观察到显著差异（P ≥ 0.05）。
【数据】咸水灌溉增加土壤含水量：3.00–13.29%（0–40 cm）、2.50–7.29%（40–60 cm）；枯草芽孢杆菌增加土壤含水量：4.91%（0–40 cm，FW）、1.66%（40–60 cm，FW）；BW-A较BW-N降低含水量：4.62%（0–40 cm）、2.88%（40–60 cm）；枯草芽孢杆菌降低土壤盐度：6.87–8.44%（0–40 cm）、3.70–4.01%（40–60 cm）；咸水灌溉降低AN：13.40%–15.28%（0–40 cm）；枯草芽孢杆菌增加AN：13.40–15.28%；显著性阈值：P < 0.05
3.2 棉花生长指标
如图2a-c所示，各处理棉花株高和茎粗从苗期到花期快速增加，从铃期到吐絮期趋于稳定。棉花LAI随生长推进先增加后降低，在铃期达到最大值。与淡水灌溉相比，咸水灌溉对最大茎粗无显著影响（P ≥ 0.05），但显著降低了最大株高7.14–11.45%和最大LAI 11.11–15.51%（表S3）。枯草芽孢杆菌的施用有效缓解了咸水灌溉引起的生长抑制。与常规淡水灌溉（FW-N）相比，BW-A处理的最大株高和LAI仅分别降低了3.31%和3.44%（P ≥ 0.05）。
【数据】咸水灌溉降低最大株高：7.14–11.45%；降低最大LAI：11.11–15.51%；BW-A较FW-N降低株高：3.31%；降低LAI：3.44%
3.3 SPAD值与光合特性
图2d显示，棉花生长季内SPAD值从苗期到花期增加，随后下降。与BW-N处理相比，FW-N、FW-A和BW-A处理在棉花生长季的平均SPAD值分别增加了9.24%、15.06%和6.16%。其中，FW-A处理的SPAD值显著高于所有其他处理（P < 0.05），而FW-N处理仅与BW-N处理差异显著（表S4）。
就棉花光合特性而言，Pn、Tr和Gs从苗期到花期持续增加至最大值，铃期保持相对稳定，进入吐絮期后明显下降（图3a-d）。相比之下，Ci在整个棉花生育期呈先降低后增加的趋势（图3a-d）。在相同的枯草芽孢杆菌处理下，与淡水灌溉相比，咸水灌溉显著降低了棉花生育期平均Pn和Tr，降幅分别为12.22–15.57%和6.77–9.49%（P < 0.05），同时显著增加了平均Ci达4.85–5.27%（P < 0.05）（表S4）。此外，咸水灌溉仅在N处理下引起Gs显著降低（P < 0.05）。施用枯草芽孢杆菌使平均Pn、Tr和Gs分别增加了8.10–12.39%、4.30–7.44%和3.09–6.85%，并使平均Ci降低了3.00–3.38%。值得注意的是，我们还发现枯草芽孢杆菌的施用使季节平均iWUE、IWUE和CE分别增加了3.77–4.48%、4.53–4.78%和11.04–15.83%，表明在两种灌溉模式下光合效率均得到提升（图3e-g）。
【数据】SPAD值增加：FW-N较BW-N增加9.24%，FW-A增加15.06%，BW-A增加6.16%；咸水灌溉降低Pn：12.22–15.57%；降低Tr：6.77–9.49%；增加Ci：4.85–5.27%；枯草芽孢杆菌增加Pn：8.10–12.39%；增加Tr：4.30–7.44%；增加Gs：3.09–6.85%；降低Ci：3.00–3.38%；增加iWUE：3.77–4.48%；增加IWUE：4.53–4.78%；增加CE：11.04–15.83%
3.4 棉花总生物量和总氮含量
各处理棉花TBM和TN在生长期间逐步增加，后期趋于稳定（图4a、b）。此外，在此过程中，生殖器官在棉花TBM和TN中的比例持续增加并超过营养器官。处理间比较表明，BW-N处理与FW-A和FW-N处理相比显著降低了最终TBM和TN（P < 0.05），而BW-A处理仅与FW-A处理相比呈现显著降低（P < 0.05），与FW-N处理相比无显著差异（P ≥ 0.05）（表S5）。尽管咸水灌溉降低了棉花TBM和TN，但倾向于增加分配给棉花生殖器官的生物量和氮素比例。
【数据】显著性水平：P < 0.05（BW-N vs FW-A/FW-N）；P < 0.05（BW-A vs FW-A）；P ≥ 0.05（BW-A vs FW-N）
3.5 籽棉产量、水分利用效率和氮肥偏生产力
在相同的枯草芽孢杆菌处理下，与淡水灌溉相比，咸水灌溉显著降低了SCY、WUE和PFPN，降幅分别为7.27–8.78%、3.49–8.61%和7.27–8.78%（P < 0.05）（图5a-c）。然而，与N处理相比，A处理提高了SCY、WUE和PFPN：淡水灌溉下分别增加了3.33%、1.81%和3.33%；咸水灌溉下分别增加了5.04%、7.52%和5.04%。其中，BW-A处理的WUE与BW-N处理差异显著（P < 0.05）；BW-A与FW-N处理的SCY、WUE和PFPN之间未观察到显著差异（P ≥ 0.05）。总之，枯草芽孢杆菌施用对SCY、WUE和PFPN的正效应在咸水灌溉下比淡水灌溉下更为明显，有效保障了水分和氮素的利用效率以及棉花生产安全。
【数据】咸水灌溉降低SCY：7.27–8.78%；降低WUE：3.49–8.61%；降低PFPN：7.27–8.78%；枯草芽孢杆菌提高SCY：3.33%（FW）、5.04%（BW）；提高WUE：1.81%（FW）、7.52%（BW）；提高PFPN：3.33%（FW）、5.04%（BW）
3.6 土壤微生物群落结构与功能
#### 3.6.1 土壤微生物群落Alpha多样性与组成
使用Chao1指数（物种丰富度）和Simpson指数（物种多样性）评估Alpha多样性（图6a-d）。对于细菌群落，咸水灌溉对Chao1指数无显著影响（P ≥ 0.05），但在未施用枯草芽孢杆菌的情况下显著降低了Simpson指数（P < 0.05）。对于真菌群落，在相同的枯草芽孢杆菌处理下，咸水灌溉仅显著降低了Simpson指数（P < 0.05）。此外，枯草芽孢杆菌的施用改善了土壤微生物群落的Alpha多样性：它在两种灌溉模式下均显著增加了细菌群落的Chao1指数（P < 0.05），并在咸水灌溉下显著增加了细菌群落的Simpson指数（P < 0.05）。同时，它还在咸水灌溉下显著增加了真菌群落的Chao1指数（P < 0.05）。
群落组成分析表明，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和厚壁菌门（Firmicutes）在土壤细菌群落中的累计丰度超过82.25%，共同构成细菌群落的优势菌门。子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）在土壤真菌群落中的累计相对丰度超过86.07%……
【数据】细菌优势菌门累计丰度：>82.25%；真菌优势菌门累计丰度：>86.07%
#### 3.6.2 土壤微生物群落代谢功能
【数据】原文未详述本节具体数值
#### 3.6.3 土壤水盐氮状况、微生物群落与棉花生产的关系
【数据】原文未详述本节具体数值
讨论与解读
4.1 土壤水盐氮状况对咸水灌溉和枯草芽孢杆菌施用的响应
研究结果显示，用咸水替代淡水灌溉棉田不仅引起土壤盐渍化，还进一步加剧了土壤水分和AN的损失。较高的土壤含水量可归因于盐分引入土壤后降低了土壤溶液的渗透势，从而阻碍棉花根系吸水。AN损失的加剧涉及多种机制：盐胁迫抑制尿素水解和有机氮矿化，减少AN补充输入；高盐度抑制硝化作用，限制NH₄⁺-N向NO₃⁻-N的转化，增加NH₄⁺-N挥发潜力；盐分导致的土壤孔隙结构恶化和含水量增加形成厌氧微域，促进反硝化作用，加速NO₃⁻-N还原为N₂O或N₂，进一步加剧AN损失。研究发现咸水灌溉不仅诱导土壤AN降低，还降低了NO₃⁻-N比例、增加了NH₄⁺-N比例，间接证实了这些土壤氮损失机制。值得注意的是，与40–60 cm土层相对稳定的土壤AN相比，0–40 cm土层表现出更明显的负向响应。
4.2 枯草芽孢杆菌对棉花光合特性与生产的调控
枯草芽孢杆菌的施用有效缓解了咸水灌溉对棉花生长和光合性能的抑制。改善后的土壤条件增加了棉花叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，同时降低了胞间CO₂浓度。这些光合性状的改善进一步促进了棉花生长发育，最终保障了其水分和氮素利用效率及生产安全。枯草芽孢杆菌的施用还提高了土壤微生物群落Alpha多样性和组成，增强了物种互作的协同性和模块化程度，从而强化了与盐胁迫调控和氮转化相关的代谢功能。细菌群落Alpha多样性和功能的优化显著改善了淡水和咸水灌溉下的土壤水盐氮状况和棉花产量。值得注意的是，真菌群落在淡水灌溉下对综合改善的驱动作用不显著。然而，在咸水灌溉下，枯草芽孢杆菌有效调控了真菌与细菌群落之间的交互平衡。
编译者解读
该研究以"微生物—土壤—作物"为主线，将枯草芽孢杆菌引入咸水灌溉体系，定位精准——直击干旱区棉花生产的水盐氮协同调控难题。方法上采用田间试验与多指标联测，从土壤理化性质到光合参数再到微生物网络分析，数据链条完整，结论具有田间尺度的直接应用价值。45 kg·ha⁻¹的施用量经过多年田间验证，体现了从实验室到田间的转化思维。值得注意的是，研究区分了细菌与真菌群落在淡水和咸水条件下不同的功能贡献，提示微生物调控策略需因水而异。其局限在于试验局限于单一地区、单一棉花品种，且未涉及枯草芽孢杆菌在土壤中的定殖动态与存活率追踪——这恰是田间应用稳定性的关键。后续研究若能结合菌株标记追踪与多地点验证，将增强该策略的可推广性。
参考来源
Bi Y. Bacillus subtilis improves cotton photosynthetic traits and production by optimizing soil water-salt-nitrogen conditions under the brackish water irrigation[J]. Soil and Tillage Research, 2026.
DOI: 10.1016/j.still.2026.107227
DOI: 10.1016/j.still.2026.107227