干旱条件下硬磐层对砂质土中谷物根系生长的限制机制及深松改善效应研究

本研究针对砂质土壤中因压实和硬磐化过程导致的高土壤强度限制根系生长、影响作物生产的问题，通过构建含硬磐化亚表层的土壤柱，模拟不同水分条件，探究硬磐层对小麦根系发育的动态影响。研究发现，硬磐层仅在持续干旱条件下形成物理屏障，显著抑制根系下扎和地上部生物量；深松处理可有效破坏硬磐结构，在干旱条件下使深层根长增加62%，地上生物量提高39%。该研究揭示了水分动态对硬磐土壤作物响应的调节作用，为砂质土壤管理提供了重要理论依据。

　　

在全球农业面临可持续生产挑战的背景下，砂质土壤因其特殊的物理化学性质成为研究的焦点。这类土壤约占地球陆地面积的31%，但其低持水能力、低养分保持力和易压实化等问题严重制约作物生长。特别是在澳大利亚南部半干旱地区，砂质土壤中存在的硬磐化（Hardsetting）现象——即土壤在干燥时变得坚硬无结构，湿润时又软化——对谷物根系构成机械屏障，导致根系分布浅层化，无法有效利用深层水分和养分，造成产量与潜力的显著差距。

以往研究多关注单一胁迫因素，而对土壤强度与水分动态交互作用的认知仍不充分。田间试验因土壤异质性和水分变异性难以控制，而实验室模拟则能精准解析硬磐层在不同水分条件下的形成机制及其对作物根系的限制效应。本研究通过创新性设计三层土壤柱系统，模拟田间硬磐层，并设置不同水分处理，探究硬磐化对小麦根系和地上生长的动态影响，为改善砂质土壤管理实践提供理论依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：采集澳大利亚南部卡拉恩达地区Brown Kandosol土壤并按深度分层处理；构建三层PVC土柱模拟硬磐层（Segment B），并通过 slurry 打包和干燥诱导硬磐化；设置深松（ripping）处理破坏硬磐层；控制三种水分 regime（干旱、湿润和循环干湿）；使用X射线计算机断层扫描（X-ray CT）分析土壤孔隙结构；采用数字力计测量土壤渗透阻力（PR）；通过WinRhizo软件量化根系形态指标。

根系长度、生物量与直径

深层根系生长受硬磐层限制仅发生在干旱条件下。深松处理在干旱条件下使总根长增加62%，其中Segment B根长从77 cm/盆增至883 cm/盆（F(2,15)=6.34, p=0.010）。根系生物量在Segment B中干旱条件下深松处理较压实土壤增加338%（F(2,15)=5.23, p=0.019）。根系直径在压实土壤中增加28%，表明机械阻抗诱导根系适应性增粗。

地上部生物量与分蘖

深松仅于干旱条件下显著提高地上生物量44%（1.92 vs. 1.33 g/盆，F(2,15)=4.15, p=0.03）。分蘖数在早期（20 DAS）受压实抑制，但后期无显著差异，水分处理则持续影响分蘖数。

土壤孔隙度

X射线CT扫描显示深松处理显著提高Segment B孔隙连通性密度（F(2,15)=72.87, p<0.001），但水分处理无交互效应。分辨率限制（84μm）可能影响孔隙与根孔的区分。

土壤水分分布

干旱条件下，深松处理土壤在Segment B保留更多水分，而Segment C水分被完全耗竭至萎蔫点，表明根系突破硬磐层获取深层水分。

土壤渗透阻力

压实土壤在体积含水量（VWC）低于0.025时渗透阻力（PR）呈指数增长，最高达3.9 MPa，符合硬磐化特征；深松土壤PR稳定在0.5 MPa左右，不受水分影响。

本研究证实硬磐化对砂质土壤根系生长的限制具有水分依赖性，仅在持续干旱条件下形成物理屏障。深松处理通过破坏土壤结构、增加孔隙连通性，显著改善根系下扎能力和水分利用效率，尤其在干旱条件下效果突出。循环干湿处理虽诱导临时硬磐化，但未显著影响根系生长，表明水分动态的时机对作物响应至关重要。该研究不仅深化了对硬磐土壤-植物相互作用的理解，还为优化深松耕作时机、提高砂质土壤生产潜力提供了实践指导。研究结果发表于《Plant and Soil》，对全球旱作农业区土壤管理具有重要参考价值。