生物和技术性土壤改良措施对谷物作物根系生长及作物产量的影响

《Solid Earth Sciences》：Effects of biological and technical subsoil amelioration on root growth and crop performance in cereal crops

本研究通过德国田间试验，对比了生物改良（苜蓿前作）和技术改良（深翻+堆肥）对春大麦和冬小麦根系生长、营养吸收及产量的影响。结果表明，干旱年份中生物改良与技术结合显著提升春大麦产量，而湿润年份冬小麦未受影响，说明资源利用与气候条件密切相关。

　　### 深层土壤改良对作物生长与产量的影响研究

在全球气候变化的背景下，农业面临着诸多挑战，其中包括更频繁和更严重的干旱现象以及潜在的养分供应短缺。这些环境压力限制了作物对水分和养分的获取，从而影响其生长和产量。因此，探索能够有效提升作物对深层土壤资源利用的方法显得尤为重要。深层土壤（subsoil）作为重要的养分和水分储存层，其改良能够显著改善作物的生长条件，特别是在干旱年份中，提升作物对深层土壤资源的利用潜力可以有效缓解干旱带来的负面影响。

在本研究中，我们通过田间实验比较了两种深层土壤改良方法——生物改良（连续两年种植深根系多年生苜蓿作为前茬作物）和机械改良（条带深翻结合深层土壤堆肥施用）对春大麦和冬小麦根系生长及作物表现的影响。研究的重点在于评估这些改良措施如何影响作物的根系生长、养分吸收以及最终的产量表现。此外，我们还探讨了深层土壤改良对作物在不同气候条件下的适应性，以及其在农业生产中的实际应用价值。

#### 深层土壤改良的重要性

深层土壤改良的核心目标是改善土壤结构，减少土壤压实对根系生长的限制，从而提高作物对深层土壤中养分和水分的利用能力。土壤压实会显著阻碍根系在深层土壤中的扩展，导致水分和养分的获取受限，进而影响作物的生长表现和产量。因此，通过技术手段（如深翻）或生物手段（如种植深根系作物）来改善深层土壤结构，是提高土壤资源利用效率的有效途径。

深翻是一种传统的土壤改良技术，通常在常规耕作深度以下进行，目的是打破土壤压实层，提高土壤的通气性和水分渗透能力。然而，由于深翻需要较大的能耗和成本，其在农业生产中的应用受到一定限制。近年来，研究者发现，深翻与有机改良材料（如堆肥）结合使用，可以更有效地改善土壤结构，同时为作物提供额外的养分来源，提高其生长潜力。

另一方面，深根系作物（如苜蓿）在生长过程中能够形成大量的生物孔道（biopores），这些孔道为后续作物的根系生长提供了更便捷的通道。生物孔道的形成不仅有助于作物更深入地探索土壤，还能改善土壤的通气性和水分渗透能力，从而提升作物的生长表现和产量。因此，将深根系作物作为前茬作物，与机械改良相结合，可能成为一种更为可持续的土壤改良策略。

#### 实验设计与方法

本实验在德国波恩大学的实验农场Campus Klein-Altendorf进行，该农场位于北莱茵-威斯特法伦州的Rheinbach地区，土壤类型为Haplic Luvisol，来源于黄土，具有细腻的黏质壤土结构，其中45至95厘米深度范围内存在黏土积聚。该土壤类型在干旱条件下能够保持一定的水分，因此是研究深层土壤改良的理想地点。

实验采用两因子设计，包括两种土壤改良方式：生物改良（前茬作物为苜蓿或多年生黑麦草）和机械改良（深翻与堆肥施用）。具体而言，前茬作物分为苜蓿（L）和多年生黑麦草（G），机械改良分为参考（R）、深翻（T）和深翻加堆肥（TC）。实验分为六个处理组，每个处理组在随机完全区组设计（RCBD）中重复六次，以确保数据的可靠性。

在实验过程中，研究人员首先种植前茬作物，并在随后的两年中进行深翻和堆肥施用。春季大麦和冬季小麦作为后续作物，分别在2020年和2021年种植。在实验期间，研究人员采集了土壤样本和作物样本，以评估根系生长情况、养分吸收量以及最终的产量表现。

为了量化深层土壤中的生物孔道密度，研究人员使用了深度学习软件Rootpainter V0.2.27，通过分析土壤样本中的根系图像，计算不同直径类别的生物孔道密度。此外，研究人员还使用了“剖面墙法”（profile wall method）来测量根系长度密度（RLD），该方法通过在土壤剖面上固定金属框架，并对特定深度范围内的根系进行测量和统计分析。同时，研究人员还对土壤中的矿质氮含量进行了分析，以评估土壤改良对作物养分供应的影响。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，在干旱年份（2020年），生物改良（苜蓿作为前茬作物）与机械改良（深翻加堆肥）相结合的处理组（LTC）对春大麦的根系生长、养分吸收和产量产生了显著的正向影响。具体而言，LTC处理组的春大麦在根系长度密度、养分吸收量以及产量方面均优于其他处理组。相比之下，冬季小麦在2021年（降雨量充足）的生长表现并未受到土壤改良措施的显著影响。

这一结果表明，深层土壤改良对作物的生长和产量具有显著的正向作用，尤其是在干旱条件下。然而，当土壤水分供应充足时，这种改良措施的效果可能减弱，因为作物能够通过自身的根系扩展获取足够的水分和养分，从而减少了对土壤改良的依赖。此外，实验还发现，深翻和堆肥的结合使用能够显著提升春大麦的根系生长深度，而苜蓿作为前茬作物则有助于提高土壤的通气性和水分渗透能力。

值得注意的是，尽管生物改良和机械改良在某些情况下能够提高根系生长和养分吸收，但在其他情况下（如土壤水分充足时）可能效果不明显。这提示我们，土壤改良措施的效果可能受到多种因素的影响，包括土壤类型、气候条件以及作物种类等。因此，在实际农业生产中，应根据具体的土壤状况和气候条件，选择合适的土壤改良策略。

#### 讨论与展望

本研究的发现具有重要的农业应用价值。首先，苜蓿作为深根系作物，能够显著提高深层土壤的通气性和水分渗透能力，从而改善后续作物的生长条件。其次，深翻与堆肥的结合使用能够进一步增强土壤的改良效果，特别是在干旱年份中，这种组合能够有效提升作物对深层土壤资源的利用能力。然而，当土壤水分供应充足时，这些改良措施的效果可能减弱，因为作物能够通过自身的根系扩展获取足够的水分和养分。

此外，实验还发现，深翻和堆肥的结合使用对春大麦的产量和养分吸收具有显著的正向作用，而对冬季小麦的影响则不明显。这可能与冬季小麦的生长周期和对水分的需求有关。冬季小麦的生长周期较长，且在生长初期就已经具备较深的根系，因此在水分供应充足的情况下，其对土壤改良措施的响应可能较弱。

本研究还指出，深层土壤改良的长期效果仍需进一步研究。尽管在短期内，机械改良和生物改良的结合能够显著提升作物的生长表现和产量，但在长期的农业生产中，这些措施的效果可能会受到其他因素的影响，如土壤结构的稳定性、养分的持续供应以及气候条件的变化。因此，未来的研究应关注这些因素对深层土壤改良效果的影响，并探索更可持续的土壤改良策略。

#### 结论

综上所述，本研究发现，生物改良（种植深根系作物）与机械改良（深翻加堆肥）的结合使用能够显著提升春大麦在干旱年份中的根系生长、养分吸收和产量表现。然而，在水分供应充足的年份中，这种改良措施的效果可能不显著。因此，深层土壤改良策略应根据具体的气候条件和土壤状况进行选择和调整，以实现最佳的农业效益。

未来的研究应进一步探讨深层土壤改良的长期影响，特别是在不同土壤类型和气候条件下，评估其对作物生长和产量的持续效果。此外，应结合经济分析，评估这些改良措施的成本效益，以确定其在实际农业生产中的可行性。通过这些研究，我们希望能够为农业提供更科学的土壤改良策略，以应对气候变化带来的挑战，提高作物的适应性和产量稳定性。