《Soil and Tillage Research》：Bacillus subtilis improves cotton photosynthetic traits and production by optimizing soil water-salt-nitrogen conditions under the brackish water irrigation
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本研究在新疆干旱区通过施加枯草芽孢杆菌（0和45 kg·ha?1）对比淡水与咸水灌溉对土壤水盐氮条件和棉花（Tahe No.2）生长的影响。结果表明，枯草芽孢杆菌可抑制咸水灌溉引起的土壤盐渍化，改善棉花光合特性（叶绿素含量、净光合速率等），提升水分与氮素利用效率，并通过调节土壤微生物群落多样性、组成及互作模式增强代谢功能，最终提高棉花产量。该技术为缓解干旱区淡水短缺提供了可行方案。
作者：边鹏飞、周北北、任佩琪、姚少雄、陈晓鹏、杨玉娇、孟浩波
中国陕西省西安市西安工业大学干旱地区水利工程生态与环境国家重点实验室，邮编710048
摘要
虽然微咸水（BW）灌溉可以缓解干旱地区因淡水（FW）短缺对棉花产业造成的限制，但也可能恶化土壤的水盐氮状况并降低产量。枯草芽孢杆菌（B. subtilis）显示出缓解这些不利影响的潜力，但其具体功效和调控机制尚不完全清楚。因此，在中国新疆干旱地区，我们分别向土壤中施用了0和45 kg·ha?1的B. subtilis，以研究其对土壤状况和棉花（塔河2号）产量的调控效果。结果表明，B. subtilis抑制了微咸水灌溉引起的土壤盐碱化，并减轻了水分利用障碍和氮素流失。改善的土壤条件提高了棉花叶片的叶绿素含量、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs），同时降低了细胞间二氧化碳浓度（Ci）。此外，施用B. subtilis还提高了瞬时水分利用效率（iWUE）、内在水分利用效率（IWUE）和瞬时羧化效率（CE）。这些光合特性的改善进一步促进了棉花的生长发育，最终提高了其水分和氮素利用效率及产量安全性。此外，B. subtilis还改善了土壤微生物群落的α多样性及组成，增强了物种间的协同作用和模块性，从而增强了与盐胁迫调节和氮转化相关的代谢功能。通过优化细菌群落的α多样性和功能，在淡水和微咸水灌溉条件下均显著改善了土壤的水盐氮状况和棉花产量。值得注意的是，在淡水灌溉条件下，真菌群落对综合改善作用的影响不大；而在微咸水灌溉条件下，B. subtilis有效调节了真菌和细菌群落之间的相互作用平衡，从而显著增强了真菌群落对改善效果的贡献，进而更有效地促进了棉花产量的提升。总体而言，我们的结果证实了B. subtilis能够有效提升微咸水灌溉的安全性，并阐明了其作用机制，为缓解干旱地区淡水短缺对棉花产业的影响提供了可行的微生物调控技术。
引言
全球干旱地区日益严重的淡水（FW）短缺限制了可持续农业发展（Bijl等人，2018年；Hassen等人，2025年）。中国新疆是一个典型的干旱地区，面积约为1.665×10?平方公里（Li等人，2025年）。利用丰富的光、热和土地资源，该地区已成为中国最大的棉花生产基地，贡献了全国90.99%的棉花产量（Gao等人，2024年）。然而，干旱地区的特点（如高蒸发强度和降水稀少）使得新疆的淡水供需失衡尤为突出（Zhou，2023年），严重制约了当地棉花产业的发展。因此，寻找适合的淡水替代品对于维持棉花生产至关重要。与全球许多干旱地区类似，新疆拥有较为丰富的地下微咸水（BW）资源（Ma等人，2022年）。将微咸水用于农业灌溉可以有效缓解淡水资源短缺对棉花生产的影响（Ozturk等人，2018年；Ding，2024年）。
然而，微咸水在农业灌溉中的使用会向土壤中引入盐分，从而增加土壤盐碱化的风险。这会降低土壤的水分潜力并破坏微生物的氮转化过程，导致棉花遭受水分-盐胁迫和养分限制，进而抑制光合作用和生长，最终降低产量（Ould Ahmed等人，2010年；Qin等人，2024年；Zhang等人，2024a）。因此，需要有效的调控技术来减少微咸水利用对土壤状况和棉花产量的不利影响。目前大量研究表明，施用促植物生长的根际细菌（PGPR）可以改善土壤状况并促进作物生长，具有成本可控性和避免污染的优点（Ahmad等人，2014年；Zhou，2023年）。在各种PGPR中，枯草芽孢杆菌（B. subtilis）不仅具有很强的抗逆性以及快速的生长和繁殖能力，还具有多种有益功能（Abbasi等人，2011年；Yang，2021年）。在改善土壤状况方面，B. subtilis已被证明可以抑制土壤盐分积累和水分蒸发损失（Hou等人，2018年），同时还能优化土壤氮转化过程，从而提高养分有效性（Ren等人，2025年）。在作物生产方面，B. subtilis不仅能够诱导合成抗逆物质帮助作物应对非生物胁迫，还能产生IAA等植物激素，改善生理和生长活动（Lastochkina等人，2017年；Bi等人，2024年）。总体而言，B. subtilis的应用在保障微咸水灌溉条件下的土壤状况和提升棉花产量方面显示出巨大潜力。然而，目前关于利用B. subtilis提高农业生产的微咸水灌溉安全性的研究仍显不足，亟需进一步研究以验证其具体功效。
此外，土壤微生物群落是土壤生态系统运行的关键驱动力，参与信息交换、物质循环和能量流动等关键过程，为维持良好的土壤条件提供了基础（Sierocinski等人，2017年；Sokol等人，2022年）。先前的研究表明，PGPR的有益效果主要是通过改善本土微生物群落的结构和功能间接实现的（Mallon等人，2018年；Poppeliers等人，2023年；Zhao等人，2025年）。具体而言，引入PGPR可以改变微生物的多样性和组成，并调节微生物网络内的相互作用模式。这种结构重组可以进一步优化微生物群落在缓解土壤水盐胁迫和促进养分活化方面的功能，最终改善土壤状况（Fan等人，2025年；Ren等人，2025年）。然而，B. subtilis通过改善土壤微生物群落的结构和功能来调节土壤状况的关键机制仍不完全清楚，其背后的途径和调控过程需要进一步阐明。
因此，本研究选择中国新疆作为研究区域，并以棉花（塔河2号）为目标作物，探讨B. subtilis施用对微咸水灌溉条件下土壤状况和棉花产量的调控效果。主要目标是：（i）评估B. subtilis对土壤水盐氮状况以及棉花光合特性、物质利用和产量的具体功效；（ii）通过研究土壤微生物群落在结构、内部相互作用模式和代谢功能方面的响应，揭示B. subtilis的改善机制；（iii）提供一种可行的微生物技术，以提高微咸水灌溉的安全性并促进干旱地区棉花产业的可持续发展。
实验地点
实验在中国西北部新疆阿拉尔的水利局灌溉试验站进行（北纬40°37'，东经81°12'），时间跨度为2023年至2024年。该研究区域属于温带干旱大陆性沙漠气候，光照充足但降雨稀少。年有效积温为3941℃，年均蒸发量和降水量分别为2217毫米和46毫米。试验站的地下水位较低
土壤湿度、盐度和铵态氮（AN）
从灌溉开始到结束，各处理组的土壤湿度先增加后减少（图1a）。在苗期和结铃期，0–40厘米层的土壤湿度低于40–60厘米层；从花蕾期到结铃期，0–40厘米层的土壤湿度逐渐增加并超过40–60厘米层。在相同的B. subtilis处理组中，与淡水灌溉相比，微咸水灌溉增加了平均土壤湿度
土壤水盐氮状况对微咸水灌溉和B. subtilis施用的响应
结果表明，用微咸水代替淡水灌溉不仅会导致土壤盐碱化，还会进一步增加土壤湿度和铵态氮（AN）损失。较高的土壤湿度可能是由于盐分进入土壤后降低了土壤溶液的渗透势，从而阻碍了棉花根系对水分的吸收（Malash等人，2008年；Zhang，2020年）。铵态氮损失的加剧涉及多种机制。盐胁迫会抑制尿素的水解和有机物质的转化
结论
施用B. subtilis可以减轻微咸水灌溉引起的土壤盐碱化，同时提高土壤的水分和氮供应能力。结果表明，棉花的光合特性得到改善，从而提高了水分和氮的利用效率，增强了棉花的生产力。此外，我们的结果证实B. subtilis能够改善土壤微生物群落的多样性和组成，优化群落内的协同作用机制，进一步增强了...
作者贡献声明
孟浩波：研究、数据整理。杨玉娇：研究、数据整理。陈晓鹏：写作、审稿与编辑、资金筹集。姚少雄：方法学、研究、概念构思。任佩琪：方法学、研究、数据整理。周北北：写作、审稿与编辑、方法学、资金筹集、概念构思。边鹏飞：写作、初稿撰写、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52222903、52579044、52409067）、新疆维吾尔自治区重大科技项目（2023A02002–2）以及陕西高校青年创新团队（24JP11）的财政支持
