《Applied Soil Ecology》：Irrigation and straw particle size jointly drive soil bacterial community assembly to regulate nutrient cycling in paddy fields
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水稻生产中灌溉方式与秸秆粉碎尺寸的协同效应研究，通过两年桶栽试验揭示：频繁浅层灌溉（FSI）促进土壤有机碳（DOC）快速释放并富集厌氧菌，而调控灌溉（CI）通过周期性干湿交替增强土壤有机碳累积。秸秆粉碎尺寸与灌溉方式存在交互作用：FSI下块状秸秆因孔隙结构稳定更利于碳源持续供给，而CI中粉末状秸秆因其高比表面积更高效激活氮循环相关菌群。研究发现，CI结合粉末状秸秆可同步实现节水（较常规灌溉减少30%水量）与氮素增效（土壤硝态氮年增量达12.3%），且绿洲菌门（Chloroflexota）在CI处理下占比显著提升（p<0.01），提示交替干湿环境更有利于功能型微生物发育。该成果为优化水稻水肥协同管理提供理论依据。
Jinhua Zhang|Han Han|Bingxiao Liu|Xiangping Guo|Xing Yang|Wenye Zhang
中国江苏省南京市江宁区淮海大学农业科学与工程学院，210098
摘要
水资源短缺的挑战和粮食安全的迫切需求要求水稻生产系统能够节约用水并提高产量。节水灌溉和秸秆还田是广泛采用的做法。然而，这两种方法之间的相互作用机制——特别是灌溉和秸秆的物理特性如何通过水-基质相互作用影响土壤细菌群落的结构和功能——尚未得到充分理解。频繁且浅层的灌溉（FSI）维持了厌氧条件，导致溶解有机碳显著增加，并促进了厌氧细菌群落的富集，表明碳和氮的转化速率加快。相比之下，控制性灌溉（CI）通过交替的 aerobic 和 anaerobic 阶段，促进了 NO??-N 的产生和土壤有机碳的积累。研究观察到秸秆颗粒大小与灌溉方式之间存在显著交互作用：在 CI 条件下，粉末状秸秆更有效地促进了硝化作用和 SOC 的积累，这可能与其较大的比表面积有关；而在 FSI 条件下，分段秸秆似乎提供了更稳定的碳源。两年的时间序列分析显示，核心细菌群落从 Pseudomonadota 转向了 Chloroflexota。基于 PICRUSt2 的预测功能基因谱表明，FSI 结合粉末状秸秆处理上调了与碳和氮代谢相关的基因，而在 CI 条件下，秸秆颗粒大小对代谢功能的影响不大。这些结果表明，灌溉方式主要决定了土壤养分循环和细菌群落的组成。本研究证实，将 CI 与粉末状秸秆还田相结合是同时实现节水和水稻土壤氮积累的最佳策略。
引言
作为全球重要的粮食作物，水稻的生产需要消耗全球30%的灌溉水资源（Yuan et al., 2021），而水资源短缺对全球粮食安全构成了严重威胁（Fl?rke et al., 2018）。为应对这一挑战，人们广泛采用了节水灌溉措施，如控制性灌溉，这种灌溉方式可以在减少灌溉量的同时维持甚至提高作物产量（Shao et al., 2025）。然而，能否有效实现节水并保持稳定的作物产量不仅取决于灌溉管理，还取决于土壤管理措施。
秸秆还田被公认为一种可持续的农艺策略，它能促进土壤有机碳（SOC）的固存（Liu et al., 2014; Xia et al., 2018），增强土壤的结构完整性及其保持水分和必需养分的能力（Wang et al., 2024a; Han et al., 2025），并为作物生长提供关键养分（Li et al., 2021a; Zhang et al., 2024）。微生物群落对秸秆的分解及土壤有机碳的形成起着重要作用（Liu et al., 2023; Qin et al., 2024）。此外，这些微生物群落的组成和功能动态受秸秆的物理性质及周围环境条件的影响（Liang et al., 2017; Cotrufo et al., 2015）。然而，秸秆还田的效果存在显著差异，这受到秸秆物理形态（包括颗粒大小，Moorhead et al., 2013）和环境因素（如土壤湿度，Cong et al., 2025; Zhuang et al., 2019）的影响。值得注意的是，秸秆颗粒大小与水分管理之间的相互作用尚未得到充分研究。
秸秆的颗粒大小不仅影响其分解速度，还影响土壤微环境的物理化学和生物性质（Luo et al., 2021; Zhang et al., 2023）。通常，较小的颗粒会加速分解过程；但在节水灌溉系统中，这些细小颗粒可能会阻塞土壤孔隙结构，从而阻碍水分渗透（Flury and Aramrak, 2017; Wu et al., 2024）或导致养分暂时固定（Li et al., 2021b; Wang et al., 2024b）。此外，颗粒大小还影响微生物与其基质的物理接触，进而调节功能微生物群落的活性，例如纤维素降解细菌（Yu et al., 2019）。尽管有这些发现，但在节水灌溉策略特有的湿润-干燥循环背景下，这些相互作用机制的理解仍不充分，限制了准确预测秸秆还田和水分管理综合效果的能力。
本研究通过桶栽实验，研究了两种灌溉方法（频繁浅层灌溉和控制性灌溉）和两种秸秆颗粒大小（0–0.2 cm 和 2–5 cm）对稻田土壤生态系统的协同影响。我们假设灌溉方法通过调节土壤湿度条件，显著影响土壤有机碳（SOC）的矿化、养分动态和细菌群落结构。此外，我们假设较小的秸秆颗粒大小与节水灌溉相结合，可以增加 SOC 含量并促进参与养分循环的特定细菌群落的发展。为此，本研究旨在：（1）表征节水灌溉与秸秆颗粒大小相互作用对土壤物理化学性质的影响；（2）评估土壤细菌群落对这些联合处理的反应；（3）阐明节水灌溉和秸秆颗粒大小如何共同调节土壤微生物的潜在代谢功能。研究结果旨在为优化秸秆还田与节水灌溉策略的结合提供理论基础。
实验设计
本研究于2023年和2024年6月至10月期间在中国江苏省南京市江宁区的淮海大学节水园区进行（坐标：118° 50′ E, 31° 57′ N）。该地区位于长江下游流域中部，属于湿润亚热带气候，年平均气温为14.2°C，年降水量为1094.1毫米。
灌溉方法和粉碎秸秆颗粒大小对土壤物理化学特性及酶活性的影响
水稻收获后的土壤分析表明，秸秆还田和灌溉方法对多种土壤物理化学性质有显著影响。在秸秆还田的第一年，FSI（FSI + S 和 FSI + P）处理下的 DOC 浓度显著高于 CI（CI + S 和 CI + P）处理以及对照组（P < 0.05），两种 FSI 处理之间以及 CI 处理与对照组之间没有显著差异。第二年，DOC 含量增加了7.65%
灌溉方法和粉碎秸秆颗粒大小对土壤物理化学特性的影响
秸秆具有较高的碳氮比（C:N），是活性碳的重要来源，从而支持土壤微生物群落的代谢活动（Philippot et al., 2024）。微生物对这种碳的降解促进了微生物生物量的快速增长，使微生物将土壤中的矿物氮同化为自身生物质氮。这一过程导致土壤氮的有效性暂时下降。
结论
本研究通过为期两年的桶栽实验，系统地研究了不同灌溉方法和秸秆颗粒大小对稻田土壤物理化学特性、细菌群落组成、组装动态及潜在代谢功能的影响。主要发现如下：尽管 CI 特有的周期性干湿条件降低了细菌群落的整体代谢活性，但这些
CRediT 作者贡献声明
Jinhua Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，方法学设计。Han Han：方法学设计，数据分析，概念构建。Bingxiao Liu：数据可视化，验证，实验设计，数据分析。Xiangping Guo：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资源协调，概念构建。Xing Yang：资源管理，项目执行，资金筹措，数据分析。Wenye Zhang：资源管理，项目执行，资金筹措。
利益冲突声明
作者声明他们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
我们衷心感谢 Mingxuan Lan 在土壤测试方面的支持，以及他在 R 语言编程技能培训方面提供的宝贵指导。本研究得到了江苏省水利研究院独立科学研究专项基金（2025z067）和江苏省水利科技项目（2024038）的支持。
