在微咸水滴灌和磷肥施用的条件下，干旱棉田中有机磷矿化和无机磷溶解的微生物机制

《Industrial Crops and Products》：Microbial mechanisms underlying organic phosphorus mineralization and inorganic phosphorus solubilization in arid cotton fields under brackish water drip irrigation and phosphorus fertilization

棉田长期咸水滴灌结合磷肥施用对土壤磷循环及微生物功能基因的影响分析。摘要：在新疆干旱区棉田，长期咸水滴灌导致土壤盐渍化、孔隙度降低，显著抑制棉花生物量、磷吸收及产量（分别下降27.1%、36.1%、17.2%）。磷肥施用有效缓解咸水胁迫，使生物量、磷吸收和产量分别提升51.3%、57.9%、10.4%。微生物组分析显示，咸水增加耐盐菌（假单胞菌门、拟杆菌门）丰度及phnP基因表达，抑制phoD、gcd、pqqC基因活性；磷肥进一步调节功能基因网络，增强有机磷矿化（phoD、phnP）和无机磷溶解释能（gcd）。土壤理化性质（EC、BD、SOC）与微生物功能基因（phoD、phnP、gcd、pqqC）显著相关，揭示盐-磷互作对微生物代谢的关键调控机制。

　　本研究聚焦于中国新疆地区干旱条件下长期使用咸水滴灌与磷肥对棉花生产及土壤磷循环的影响。随着全球水资源日益紧张，干旱地区的农业面临着多重挑战，包括土壤盐碱化和磷素的有效性下降。磷素作为植物生长不可或缺的营养元素，其在土壤中的可利用性受到土壤理化性质的强烈影响，尤其是在高盐度条件下。因此，如何通过合理的灌溉与施肥策略提高磷素利用率，是当前农业可持续发展中的关键议题。

研究发现，长期使用咸水滴灌显著降低了棉花的生物量、磷素吸收和产量。具体而言，与使用淡水滴灌相比，咸水滴灌导致生物量减少27.1%，磷素吸收下降36.1%，产量降低17.2%。这一现象可能与土壤盐分积累有关，盐分不仅影响土壤结构，还可能通过与磷结合形成难溶性化合物，从而降低其可利用性。此外，咸水滴灌改变了土壤的理化特性，包括增加土壤含水量、电导率、有机碳含量和容重，同时降低pH值和孔隙度。这些变化进一步限制了磷素的释放和植物的吸收，形成一个不利于棉花生长的环境。

然而，磷肥的施用在一定程度上缓解了这些负面影响。磷肥的添加显著提升了棉花的生物量、磷素吸收和产量，分别增加了51.3%、57.9%和10.4%。这表明磷肥能够有效补充土壤中的磷素，提高其可利用性。同时，磷肥还促进了与磷素转化相关的微生物群落和功能基因的表达。研究显示，磷肥增加了Pseudomonadota、Bacteroidota、Gemmatimonadota和Planctomycetota等微生物的丰度，同时对某些功能基因如phoD、gcd和pqqC产生了调控作用。这些基因与磷素的转化密切相关，其表达水平的变化反映了微生物在不同盐度环境下的适应性调整。

土壤的理化性质与微生物群落和功能基因之间存在复杂的相互作用。例如，土壤含水量、电导率和有机碳含量与磷素转化微生物的β多样性显著相关。较高的含水量可能促进厌氧环境的形成，从而影响好氧微生物的代谢活动。电导率的增加则可能通过改变土壤的渗透压，导致某些微生物种群的减少，同时促进耐盐微生物的增殖。有机碳作为微生物的碳源，可能在一定程度上影响微生物的多样性。此外，研究还发现，某些磷素形式如NaHCO?-Po和NaOH-Po对磷素转化微生物具有正向促进作用，而其他形式如D-HCl-Pi则对磷素溶解释放微生物产生积极影响。

在功能基因层面，研究揭示了磷素转化过程中关键基因的表达模式。例如，phoD基因通常与磷素溶解释放有关，其表达水平的下降可能反映了在高盐度条件下，微生物对磷素的获取受到限制。而phnP基因的增加则表明，磷素的存在可能通过改变土壤的盐度和pH值，间接促进了该基因的表达。gcd和pqqC基因则与磷素溶解释放过程相关，其表达受到盐度和pH值的显著影响。这些基因的表达变化揭示了微生物在不同环境条件下的适应策略，以及它们在磷素转化中的作用。

此外，研究还探讨了磷肥对土壤微生物群落和功能基因网络的影响。在咸水滴灌条件下，磷肥的施用不仅增加了某些微生物的丰度，还通过调节土壤pH值和磷素浓度，改变了功能基因的表达模式。这种调节作用可能通过增强微生物的适应性，提高其对磷素转化的效率。然而，长期施用磷肥也可能导致土壤酸化和磷素流失，进而影响地下水质量。因此，磷肥的施用需要在考虑土壤盐度和pH值的前提下进行优化，以平衡土壤肥力和环境影响。

本研究还通过结构方程模型分析了土壤盐度、磷素可利用性、微生物α多样性、功能基因、磷素吸收和产量之间的因果关系。结果表明，土壤盐度对磷素可利用性有显著的负面影响，而磷素可利用性又对产量产生正向促进作用。微生物α多样性在一定程度上抑制了功能基因的丰度，而功能基因则对磷素吸收有显著贡献。这些发现强调了土壤理化性质、微生物群落和磷素代谢途径之间的复杂相互作用，为干旱地区磷素管理提供了理论依据。

总体而言，本研究揭示了长期使用咸水滴灌和磷肥对棉花生长及土壤磷素循环的多方面影响。咸水滴灌虽然能够增加土壤含水量和有机碳含量，但其高盐度特性可能通过抑制磷素转化相关微生物和功能基因，降低磷素的可利用性。而磷肥的施用则能够通过补充磷素、促进微生物增殖和增强功能基因表达，缓解这些负面影响。然而，磷肥的长期使用也可能导致土壤酸化和磷素流失，需要谨慎管理。未来的研究应进一步探讨磷素施用的最佳阈值，以及在不同土壤条件下磷素转化的机制，以实现农业生产的可持续发展。