秸秆分层混施改良盐碱地的新模式及其对番茄生长的促进作用

《Scientia Horticulturae》：An original method of straw returning enhanced the improvement effect of saline-alkali soil, thereby promoting the growth of tomatoes

本研究针对常规秸秆还田方法在盐碱土改良中的局限性，创新性地提出并验证了秸秆分层混施还田模式。通过盆栽试验发现，该模式（尤其是粉末状秸秆分层混施，MpRc）能显著降低耕层土壤盐分，构建垂直异质盐分环境，有效增强番茄的盐胁迫响应调节能力（如提高叶片K+浓度、K+/Na+比及SOD、POD、CAT活性），从而促进番茄生长、提高果实产量和干物质质量，并显著降低脐腐病发生率。该研究为盐碱地改良和秸秆资源化高效利用提供了理论依据和技术支撑。

　　

土壤盐渍化是威胁全球粮食安全和耕地资源可持续利用的重大环境问题。据统计，全球有超过100个国家或地区面临盐渍化挑战，受影响土地面积约11.3亿公顷，并且每年仍以100-150万公顷的速度递增。高盐土壤会引发植物渗透胁迫、离子毒性和氧化胁迫，导致水分吸收受阻、营养失衡、生理损伤，进而抑制光合作用、蛋白质合成等关键生理过程，最终阻碍作物生长发育。同时，过量盐分还会破坏土壤结构，导致容重增高、孔隙度降低，引发土壤板结，阻碍根系伸展，恶化土壤健康，并抑制微生物的增殖和活性，造成土壤质量下降。

如何科学有效地改良盐碱土，已成为保障农业可持续发展的迫切需求。秸秆还田作为一种可行的盐碱土改良措施备受关注。传统的秸秆还田方式主要有长条秸秆分层还田和秸秆混合还田两种。前者利用秸秆隔层与原始土壤之间的异质性，在淋洗灌溉阶段延缓水分下渗、促进盐分溶解淋失，在蒸发阶段阻断土壤毛细管，抑制深层盐分随毛管水上升至地表积累。然而，秸秆分层还田对持续改善耕层土壤孔隙结构的作用有限。后者则利用秸秆多孔、低密度的特性，通过将其混入上层土壤，有效增加土壤孔隙度、降低土壤紧实度，并能提升土壤有机质、刺激微生物活性、促进大团聚体形成，从而优化孔隙结构、加速盐分淋洗。但秸秆混合还田在抑制土壤返盐方面效果不佳，且长条秸秆与土壤混合不均易产生大孔隙，影响种子发芽和幼苗根系下扎，还可能引发优先流，降低淋盐效果，导致养分流失、肥力下降和土壤水分蒸发加快。

为了克服传统秸秆还田方法的弊端，提高盐碱土改良效能，河海大学农业科学与工程学院的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了一项研究，提出了一种创新的秸秆还田方法——粉末状秸秆分层混施还田。该方法一方面采用粉末状秸秆促进秸秆与土壤的均匀混合，避免大孔隙的不利影响；另一方面将“秸秆隔层促脱盐”和“秸秆混施改土”的效应有机结合。研究人员通过为期两年（2023和2024年）的番茄盆栽试验，系统探究了不同秸秆形态（长条M_l、短条M_s、粉末M_p）和还田方式（分层R_i、混施R_m、分层混施R_c）对盐碱土盐分分布、番茄离子平衡、抗氧化酶系统及生长产量的影响。

本研究的关键技术方法主要包括：采用盆栽控制试验，设置不同秸秆处理；利用水盐传感器实时监测上下层土壤电导率并换算为土壤盐度；采用比浊法（Na⁺, K⁺）和甲基百里香酚蓝法（Ca²⁺）测定番茄器官离子浓度；采用羟胺法（SOD）、钼酸铵法（CAT）、改良愈创木酚法（POD）和TBA法（MDA）测定叶片抗氧化酶活性和膜脂过氧化产物浓度；系统测定番茄株高、茎粗、果实产量、干物质质量等生长指标以及果实品质指标（平均果重、VC、可溶性糖、有机酸、糖酸比、脐腐病发生率）；运用方差分析、Duncan多重比较、Pearson相关分析和线性回归分析进行数据处理。

3.1. 土壤盐分及其分布

研究结果表明，秸秆还田方式对上层土壤盐分的影响大于秸秆形态。在相同秸秆形态下，分层混施还田（R_c处理）能最有效地降低上层土壤盐分，而混合还田（R_m处理）的上层土壤盐分最高。同时，R_c处理导致下层土壤盐分相对较高，从而创造了最显著的土壤盐分垂直异质性（即上下层土壤盐分比最高）。粉末状秸秆（M_p）在降低上下层土壤盐分方面通常效果最佳。这表明秸秆分层混施还田能有效促进上层土壤脱盐，并抑制盐分向上迁移，形成有利于作物根系生长的低盐耕层环境。

3.2. 番茄叶片和果实中Na⁺、K⁺和Ca²⁺的浓度及比值

秸秆还田方式对番茄器官离子浓度的影响显著。含有秸秆隔层的处理（R_i和R_c）能显著降低叶片和果实中的Na⁺浓度，提高叶片K⁺浓度和K⁺/Na⁺比，以及果实Ca²⁺浓度和Ca²⁺/Na⁺比。其中，R_c处理的效果通常最为突出。粉末状秸秆（M_p）有助于进一步提高叶片K⁺浓度和K⁺/Na⁺比。这表明创新的还田模式通过改善根区盐环境，有效增强了番茄维持离子稳态和渗透平衡的能力。

3.3. 番茄叶片SOD、POD、CAT活性和MDA浓度

R_c处理能显著增强番茄叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性，并降低丙二醛(MDA)的浓度。相反，R_m处理的酶活性最低，MDA浓度最高。粉末状秸秆（M_p）通常与更高的抗氧化酶活性相关。这表明秸秆分层混施还田诱导的盐分异质化环境，能激活番茄的抗氧化防御系统，有效清除过量活性氧(ROS)，减轻膜脂过氧化损伤，从而缓解盐胁迫的氧化伤害。

3.4. 番茄株高、茎粗、果实产量和干物质质量

在生长指标方面，含有秸秆隔层的处理（R_i和R_c）显著提高了番茄的茎粗、果实产量和干物质质量。R_c处理的果实产量和干物质质量通常最高。粉末状秸秆（M_p）有助于进一步提升株高和干物质质量。相关性分析显示，番茄的株高、茎粗、产量和干物质质量与上层土壤盐分呈显著负相关，而与土壤盐分比呈显著正相关。这证实了降低耕层盐分和增加盐分异质性对番茄生长的促进作用。

3.5. 番茄果实品质

就果实品质而言，R_c处理显著提高了番茄的平均单果重和VC浓度，并有效降低了脐腐病的发生率。R_m处理的脐腐病发生率最高。线性回归分析表明，脐腐病发生率与上层土壤盐分呈显著正相关，而与土壤盐分比呈显著负相关。此外，可溶性糖浓度与上下层土壤盐分均呈正相关。粉末状秸秆（M_p）由于缓解盐胁迫效果更好，其果实可溶性糖浓度相对较低。这表明优化还田模式在提升番茄外观品质和营养品质、减少生理病害方面具有重要价值。

该研究结论表明，创新的秸秆分层混施还田模式（R_c处理），特别是粉末状秸秆分层混施（M_pR_c处理），能高效改良盐碱土性质。其核心机制在于有效降低上层土壤盐分，构建显著的垂直盐分异质性。这种优化的根区环境增强了番茄对盐胁迫的响应调节能力，表现为优化离子吸收（降低Na⁺积累，促进K⁺、Ca²⁺吸收利用）、激活抗氧化酶系统（提高SOD、POD、CAT活性）、减轻膜脂过氧化（降低MDA）。最终，这些生理响应有效缓解了盐胁迫伤害，显著促进了番茄的生长（增加株高、茎粗）、产量形成（提高果实产量和干物质质量）和品质改善（降低脐腐病发生率）。讨论部分进一步阐明了盐分异质性可能通过激发植物局部根系信号、调控盐响应相关基因表达（如SOS1、NHX等），从而系统提升植株整体耐盐性的深层机制。

这项研究不仅证实了秸秆分层混施还田在盐碱土改良和促进作物生长方面的卓越效果，更重要的是揭示了作物在异质盐分环境下的生理响应机制，为盐碱地农业中秸秆资源的科学利用和作物抗逆栽培提供了新的理论见解和实践方案，具有广阔的推广应用前景。