盐碱地水稻种植时序对土壤质量与作物生产力的协同提升机制研究

《Journal of Environmental Management》：Changes in soil quality and crop productivity along rice cultivation chronosequences in saline-alkali soils

本研究针对河套灌区盐碱地改良难题，通过建立水稻种植时序定位试验（1、3、5、8、10年），系统解析长期水稻种植对土壤质量指数（SQI）、水稻产量品质的协同提升机制。结果表明水稻种植显著降低0-60cm土层pH、TDS和ESP，SQI提升3.5-0.5倍，产量增长28.89%-54.81%，PLSPM模型揭示土壤养分积累与盐分消减是驱动SQI的主要路径。该研究为盐碱地产能协同提升提供重要理论依据。

　　

在中国西北的河套灌区，广袤的农田正面临着一个无声的威胁——土壤盐碱化。这片位于黄河中上游的冲积平原，由于特殊的地质构造和气候条件，成为盐碱土壤的"重灾区"。据统计，该地区盐碱化面积高达3.9×10⁵公顷，其中宁夏河套灌区的盐碱地就占耕地总面积的三分之一以上。日益严重的盐碱化不仅导致土地退化，更威胁着粮食安全，成为制约区域农业可持续发展的瓶颈。

面对这一挑战，农业科学家们一直在寻找有效的改良途径。水稻种植作为一种生物修复方法，展现出独特优势。通过耕作、灌溉和排水等措施，水稻田能够像"盐分压榨机"一样，将土壤中的盐分淋洗排出；同时，水稻根系分泌的有机酸和代谢产物还能中和土壤碱性。然而，一个关键科学问题尚未明确：随着水稻种植年限的增加，土壤质量、水稻生长和产量品质之间究竟存在怎样的协同演变规律？这种时序效应背后的驱动机制是什么？

为了解开这个谜团，宁夏大学的研究团队在平罗县设立了时间序列定位试验，通过对1年、3年、5年、8年和10年水稻田的系统研究，揭示了盐碱地改良的奥秘。研究发现，随着种植年限延长，水稻的株高、茎粗和叶绿素含量（SPAD）持续提升，而净光合速率（Pn）和PSII最大光化学效率（Fv/Fm）则呈现先升后降的趋势。更令人振奋的是，土壤改良效果显著：0-60厘米土层的pH值、总溶解盐（TDS）和交换性钠百分比（ESP）分别降低了0.93%-10.55%、20.5%-74.0%和11.22%-81.90%。

在土壤质量方面，与1年种植相比，其他年限处理的表层、亚表层和底层的土壤质量指数（SQI）平均提高了3.5倍、1.7倍和0.5倍。这种改良直接带来了产量红利——水稻产量显著增加28.89%-54.81%，整精米率提高50.6%-146.4%，而垩白率和垩白度分别下降55.1%-83.0%和62.0%-86.5%。通过偏最小二乘路径模型（PLSPM）分析，研究人员进一步揭示了土壤养分积累、盐分胁迫因子消减和盐离子降低是驱动SQI提升的主要途径，而SQI又对水稻产量产生显著正向影响，对稻米品质则呈现负向效应。

这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，不仅明确了长期水稻种植对盐碱地改良的积极效应，更从机理层面阐释了土壤-作物系统的协同演变规律，为盐碱地产能协同提升提供了理论依据和实践路径。

关键技术方法

研究团队在宁夏平罗县（38°49′3″N，106°32′52″E）设立水稻种植时序定位试验，选取1、3、5、8、10年种植年限的田块作为研究对象。通过野外采样与室内分析相结合，系统测定各土层土壤理化指标（pH、TDS、ESP等）和水稻生长参数（株高、茎粗、SPAD、Pn、Fv/Fm等），采用主成分分析（PCA）构建最小数据集（MDS）计算土壤质量指数（SQI），并运用偏最小二乘路径模型（PLSPM）解析各因子间的因果关系。

水稻生长特性的变化规律

随着种植年限增加，水稻的株高、茎粗和SPAD值在不同生育期均呈上升趋势，而净光合速率（Pn）和Fv/Fm则表现为先增后降。在分蘖期，3年、8年和10年处理的株高较1年处理分别增加13.4%、21.2%和27.1%，表明长期种植有效缓解了盐胁迫对水稻生长的抑制。

土壤理化性质的时序演变

水稻种植显著改善土壤环境，0-60厘米土层的盐碱指标（pH、TDS、ESP）随种植年限增加而下降，其中ESP降幅达11.22%-81.90%。土壤养分含量显著提升，特别是表层土壤的有机质和速效养分积累最为明显。

土壤质量指数的层级响应

SQI评估显示，长期种植使表层、亚表层和底层土壤质量指数分别提高3.5倍、1.7倍和0.5倍，改良效果随土层加深而减弱，表明水稻种植对土壤质量的提升具有明显的表层聚集效应。

产量与品质的协同提升

产量分析表明，长期种植（8-10年）使水稻产量显著提高28.89%-54.81%，整精米率提升50.6%-146.4%，垩白指标显著下降。这表明土壤改良不仅增加产量，更改善了稻米的外观品质。

驱动机制的路径解析

PLSPM模型揭示土壤养分积累、盐分胁迫因子消减和盐离子降低是驱动SQI提升的三条主要路径。SQI对产量产生直接正向效应（路径系数0.84），而对垩白度呈负向影响（-0.79），阐明了大米品质与产量形成的内在权衡关系。

研究结论与意义

该研究通过时序定位试验证实，长期水稻种植能有效改善盐碱土壤的理化性质，提高土壤质量指数，进而提升作物产量和品质。土壤养分积累和盐分消减是驱动改良过程的核心机制，而SQI作为综合指标，能够有效表征土壤改良程度与作物响应之间的关系。这一研究成果不仅为盐碱地改良提供了理论支撑，更通过定量化解析各因子的相互作用，为制定精准的盐碱地管理策略提供了科学依据。在耕地资源日趋紧张的背景下，该研究对保障粮食安全、促进盐碱地农业可持续发展具有重要实践价值。