生物炭与分根区交替灌溉协同提升紫花苜蓿水分利用效率的机制：ABA信号与光合性能的调控作用

本研究针对干旱半干旱盐碱区水资源短缺和土壤退化问题，通过整合生物炭改良与分根区交替灌溉（PRDI）技术，系统揭示了紫花苜蓿（Medicago sativa L.）水分利用效率（WUE）的提升机制。研究发现生物炭通过增强土壤持水能力、优化气孔形态（降低气孔密度SD、增大气孔大小SS）并调节脱落酸（ABA）信号通路，使PRDI处理在减少灌溉量45%的情况下仍能维持较高光合速率（A）和内在WUE（A/gs）。该研究为盐碱地节水灌溉和土壤改良提供了创新性解决方案。

　　

在全球气候变化和人为土地退化的双重压力下，干旱半干旱区域正面临着日益严峻的水资源短缺和土壤盐碱化问题。这些挑战严重威胁着农业生产的可持续性，尤其对紫花苜蓿这种高价值饲草作物而言，其生产受到显著制约。传统灌溉方式如漫灌不仅效率低下，还会加剧土壤盐分积累，因此开发高效节水灌溉技术势在必行。

分根区交替灌溉（PRDI）作为一种创新灌溉策略，通过交替湿润和干燥作物根区的不同部分，利用植物自身的生理调节机制来提升水分利用效率（WUE）。该技术能诱导根系产生脱落酸（ABA），作为根冠信号传递至叶片，引起气孔部分关闭，从而减少蒸腾失水，同时维持相对稳定的光合作用。然而，PRDI在实际应用中仍存在一定局限性，如可能造成光合速率下降和产量损失。近年来，生物炭作为一种土壤改良剂受到广泛关注，它能够改善土壤结构、增强保水能力、提高养分利用效率，并调节植物激素平衡，从而帮助作物抵抗干旱和盐胁迫。但生物炭与PRDI联合使用对紫花苜蓿生长和WUE的协同效应及其机制尚不明确。

为此，研究人员在《Environmental and Experimental Botany》上发表了一项研究，探讨了生物炭改良与PRDI对盐碱条件下紫花苜蓿水分利用效率的协同增强机制。该研究通过温室盆栽实验，设置了三种灌溉处理：充分灌溉（FI）、亏缺灌溉（DI）和分根区交替灌溉（PRDI），并结合两种生物炭类型（小麦秸秆生物炭WSB和玉米秸秆生物炭CSB）及无生物炭对照（CK），系统分析了土壤水分状况、植物生理指标、气孔形态、ABA浓度、碳同位素判别（Δ¹³C_leaf）及生物量等参数。

关键技术方法包括：采用分根盆栽系统模拟PRDI条件；使用LI-6800便携式光合仪测定叶片气体交换参数；通过压力室测定午间叶水势（Ψ_md）；采用酶联免疫吸附法（ELISA）测定叶片ABA浓度；基于硅胶印迹法和显微镜观测分析气孔形态特征；使用同位素质谱仪测定碳同位素组成；并通过离子耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析叶片离子含量。实验土壤采集自黄河三角洲盐碱荒地，生物炭由小麦和玉米秸秆在500℃厌氧条件下热解制备。

研究结果揭示：

1. 1.

   土壤水分与叶片水势：生物炭改良显著提高了土壤持水能力，其中WSB处理效果尤为突出。PRDI处理下土壤平均体积含水量（SWC_mean）显著低于DI和FI处理，但生物炭的添加缓解了水分亏缺对叶片水势的负面影响，维持了较好的植物水分状况。

2. 2.

   叶片气体交换与内在WUE：减少灌溉量显著降低了净CO₂同化速率（A）和气孔导度（g_s），但g_s的下降幅度更大，导致内在WUE（A/g_s）显著提高。PRDI处理在生物炭改良下表现出更高的A和g_s，表明生物炭缓解了水分胁迫对光合作用的抑制。

3. 3.

   气孔形态与理论最大气孔导度：水分亏缺处理增加了气孔密度（SD），减小了气孔大小（SS），从而提高了理论最大气孔导度（g_smax）。生物炭处理进一步优化了气孔形态，表现为SD降低、SS增加，这有助于改善气体交换效率。

4. 4.

   ABA浓度与碳同位素判别：PRDI处理显著提高了叶片ABA浓度（[ABA]_leaf），而生物炭改良降低了ABA水平。碳同位素判别（Δ¹³C_leaf）与g_s呈正相关，与A/g_s呈负相关，表明生物炭和PRDI处理共同促进了长期WUE的提升。

5. 5.

   生物量与整体WUE：尽管减少灌溉降低了总生物量（TB），但生物炭改良显著提高了TB和整体WUE（WUE_plant）。在PRDI条件下，WSB和CSB处理分别使WUE_plant提高了56%和39%。

研究结论强调，生物炭与PRDI的联合应用通过改善土壤水分状况、优化气孔形态和调节ABA信号通路，显著增强了紫花苜蓿的水分利用效率。生物炭不仅缓解了水分亏缺对植物生长的负面影响，还通过提高土壤保水能力和养分有效性，为作物创造了更有利的生长环境。这一协同策略为干旱盐碱区农业水资源高效利用和可持续发展提供了有效的技术途径，未来研究应进一步优化生物炭类型和施用策略，以在不同土壤和作物系统中推广适用。