多年生谷物对地中海干旱区土壤健康的改善作用与农业生态转型潜力研究

《Soil & Environmental Health》：Can perennials plants be used to improve soil health in drought affected Mediterranean regions?

本文聚焦地中海干旱区农业可持续发展挑战，探讨了多年生谷物在减少化肥投入、提升土壤健康方面的潜力。研究人员通过两年田间试验，利用Biofunctool?评估了土壤结构维持、养分循环和碳转化功能，发现新型多年生小麦品系11955在保持产量的同时显著改善土壤氮素可利用性，为干旱区农业生态转型提供了新路径。

　　

随着气候变化加剧，地中海地区干旱频率和强度持续上升，对农业生产系统构成严峻挑战。传统一年生作物依赖高投入耕作模式，在干旱胁迫下不仅产量不稳定，还可能导致土壤退化。在此背景下，多年生谷物因其永久性植被覆盖、减少耕作和增强土壤健康等特性，被视为应对干旱区农业挑战的有力策略。然而，多年生谷物是否真能在干旱环境中兼顾产量与生态效益？其如何通过根系活动影响土壤功能？这些问题尚需实证研究。

为探究多年生谷物在地中海干旱区的适用性，来自法国索邦大学等机构的研究团队在摩洛哥拉腊什地区开展了一项为期两年的田间试验。研究比较了四种作物系统：一年生硬粒小麦、多年生小麦品种Kernza?（中间偃麦草）以及两个新型多年生小麦品系（11955和OK72），并以邻近未受干扰的森林土壤作为参照。研究采用Biofunctool?综合评估框架，从结构维持（如渗透率、团聚体稳定性）、养分循环（如KCl提取的NO₃^-、NH₄⁺和阴离子交换膜测定的有效氮）和碳转化（高锰酸钾可氧化碳POXC、原位呼吸SituResp）三大功能层面量化土壤健康，并同步记录农艺性状与产量参数。

关键方法概述

研究在砂质土壤上布设1m2小区，监测灌溉后土壤水分动态，采用Beerkan法测定饱和渗透率，通过湿筛法评价团聚体稳定性，使用紫外分光光度法分析土壤无机氮形态，并基于凝胶指示剂法测定微生物呼吸活性。土壤健康指数（SQI）通过主成分分析加权计算，以整合多指标响应。

3.1 产量与农艺性状

新型多年生谷物表现出显著的产量优势。品系11955的谷物产量达125.02 g/m2，显著高于一年生小麦（44.15 g/m2）和Kernza?（14.25 g/m2）。其千粒重（33.62 g）与一年生小麦（46.87 g）无显著差异，但单株有效分蘖数（26.67个）远超一年生小麦（2.60个）。多年生作物还呈现更高的秸秆生物量，Kernza?达1430 g/m2，可能与持续光合作用和养分分配策略相关。

3.2 土壤健康指标

土壤物理功能：森林土壤团聚体稳定性评分最高（6.0），显著优于所有农业系统。一年生小麦稳定性（4.3）与森林无差异，但多年生品系OK72评分最低（2.7）。渗透率在各处理间无显著差异，可能与砂质土壤的高透水性有关。

养分循环：阴离子交换膜测定的有效NO₃^-在品系11955中最高（5.9 μg N-NO₃^-/cm2/d），森林土壤最低（0.4）。一年生小麦因连年施肥，KCl提取的NO₃^-含量（36.9 mg/kg）高于多年生系统。

碳转化功能：各处理间POXC（246.6–401.0 mg/kg）和SituResp无显著差异，但森林土壤的微生物呼吸活性（δ吸光度1.3）呈现高于农业系统的趋势。

3.3 土壤健康综合评价

土壤健康指数排序为森林（0.67）> 品系11955（0.59）≈ 一年生小麦（0.59）> Kernza?（0.47）≈ OK72（0.49）。类间分析（BCA）显示，森林因高团聚体稳定性和生物活性独成一类；一年生小麦以低生物指标为特征；而多年生谷物通过较高的有效氮和分蘖数区分。品系11955在减少施肥条件下仍维持与一年生小麦相当的土壤健康水平，凸显其养分调控优势。

4. 讨论与结论

本研究首次在地中海干旱区砂质土壤中应用Biofunctool?框架，证实其能有效区分不同管理系统的土壤功能差异。尽管干旱条件可能抑制部分生物指标响应，但整体指标组合仍具鉴别力。与假设不同，多年生谷物并未普遍提升土壤健康指数，其中品系OK72和Kernza?的指数显著低于森林，可能与根系优先向下层土壤拓展、减少表层养分富集有关。然而，品系11955展现出独特优势：其在无追肥条件下实现高产量，并通过持续矿化作用维持氮素有效性，表明精选的多年生基因型可协调生产与生态功能。

研究结论强调，新型多年生谷物如11955能在地中海干旱环境下以更低投入维持产量，并逐步改善土壤健康，特别是养分循环效率。这一发现为退化农田的生态修复和气候变化适应提供了作物育种新方向。未来需通过大田尺度和长期观测，验证多年生系统在碳固存和水文调节方面的潜力。论文发表于《Soil》期刊，为旱区农业可持续发展提供了理论依据与实践路径。