草屑覆盖通过土壤改良提升苏打盐碱地紫花苜蓿产量与品质的机制研究

《Plants》：Effects of Grass Clipping Mulching on Alfalfa Yield and Quality Through Soil Amelioration in Soda Saline–Alkali Soils

　　

盐渍化是全球干旱和半干旱地区农业可持续性的主要限制因素。研究人员研究了草屑覆盖对中国东北苏打盐碱地紫花苜蓿（Medicago sativa L.）生长和饲草品质的改良效应及其调控机制。试验采用随机区组设计，设4个覆盖处理：不覆盖对照（CK）、低密度（LC，6000 kg ha^?1，或6.0 t ha^?1）、中密度（MC，12,000 kg ha^?1，或12.0 t ha^?1）和高密度（HC，18,000 kg ha^?1，或18.0 t ha^?1）。与CK相比，MC处理获得最高土壤含水量（18.3% vs. CK 14.9%）、最低容重（1.26 vs. 1.48 g cm^?3）和最大孔隙度（52.4% vs. 44.2%）；pH、电导率（EC）、总盐和交换性钠百分比（ESP）降低，而有机质和速效养分增加。HC下越冬存活率升至89.1%（+9.3%）。净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和叶绿素含量增加，HC下第一茬干草产量增加27.3%（3938 vs. 3093 kg ha^?1）。粗蛋白（CP）达20.42%，相对饲喂价值（RFV）由158.4增至167.1。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）显示，覆盖主要通过土壤养分富集发挥作用，从而增强植株生理并最终提高饲草产量和品质。草屑覆盖是苏打盐碱土修复和紫花苜蓿可持续生产的一种经济有效策略。

研究背景方面，盐渍化制约全球干旱、半干旱区农业可持续性，中国盐碱地面积大，东北苏打盐碱土（soda saline–alkali soils）以Na₂CO₃和NaHCO₃为主，pH可高于9.0，交换性钠百分比（ESP）高，土壤物理结构退化，产生渗透胁迫和离子毒害，限制根系生长、养分吸收和草地农业生产。传统工程、化学及单纯生物修复存在成本高、耗水、二次盐渍化、生态扰动或建植失败等问题，因此需要生态友好、成本有效且能同时改善土壤和促进植物生长的技术。有机覆盖受到关注，但其对苏打盐碱土的系统改良机制仍不清楚；紫花苜蓿虽为理想豆科饲草，在高pH和高ESP下萌发、根系和生物量积累受抑。基于此，研究人员开展田间试验，以量化不同草屑覆盖量对土壤理化与养分、苜蓿光合生理、越冬、农艺性状、产量和品质的影响，并用PLS-SEM解析土壤改良到生产力提升的因果路径。研究结论表明，草屑覆盖可通过多级级联机制改良苏打盐碱土并提高苜蓿生产力，高密度覆盖降低pH、EC和ESP，提高含水量、孔隙度和有机质，促进生长、光合和越冬，并同时提高干草产量和品质；覆盖密度主要驱动土壤养分富集，进而增强植株生理并最终提高产量和品质。该研究为苏打盐碱土生态修复和苜蓿人工草地建植提供理论依据和技术参考。

关键技术方法（不超过250字）：黑龙江大庆银浪牧场田间试验，供试品种Stockpile；草屑主要成分为Leymus chinensis，来源大庆Red Grassland Ranch。单因素随机区组设计，CK、LC、MC、HC 4个覆盖量，3重复共12小区（20 m²）；2023年7月播种、10月9日覆盖，2024年6月15日取样。测定0–20 cm土壤物理、化学与养分指标，越冬率、SPAD、Pn、Gs、Ci、株高、分枝数、茎叶比、第一茬干草产量和饲草品质；采用PLS-SEM及标准化雷达图分析。

研究结果如下。2.1 草屑覆盖对土壤物理性质的影响：通过不同覆盖量田间比较，土壤含水量（SWC）由CK的14.9%升至MC的18.3%，容重由1.48降至MC的1.26 g cm^?3，孔隙度由44.2%升至52.4%，呈密度依赖且MC最优。2.2 草屑覆盖对土壤化学性质的影响：覆盖降低pH，MC较CK降0.10个单位（p<0.01）；EC由0.19降至MC的0.15 mS cm^?1，总盐由608降至MC的480 mg kg^?1，ESP由57.39%降至MC的45.24%和HC的45.18%。2.3 草屑覆盖对土壤养分性质的影响：土壤有机质（SOM）由9.6增至MC的11.4和HC的11.5 g kg^?1，碱解氮由116.7增至120.4 mg kg^?1，速效磷和速效钾亦呈正响应。2.4 草屑覆盖对土壤改良的综合评估：标准化雷达图显示覆盖密度增加使综合土壤质量由CK向HC提高，MC和HC多边形面积最大，水分、有机质和碱解氮改善最明显。2.5 草屑覆盖对紫花苜蓿越冬率的影响：越冬率由CK的81.5%升至HC的89.1%（+9.3%，p<0.05），覆盖层起到保温作用。2.6 草屑覆盖对紫花苜蓿光合特性的影响：Pn由3.0升至3.4 μmol m^?2 s^?1，Gs由0.030升至0.046 mol m^?2 s^?1，Ci由98.0降至92.3 μmol mol^?1，SPAD由24.1升至28.8，表明气孔开放和光合气体交换增强。2.7 草屑覆盖对紫花苜蓿农艺性状和干草产量的影响：株高由62.8升至67.3/67.1 cm，分枝数由478升至507，茎叶比0.99–1.03且无显著差异；第一茬干草产量由3093升至HC的3938 kg ha^?1（+27.3%）。2.8 草屑覆盖对紫花苜蓿饲草品质的影响：CP由18.87%升至HC的20.42%（+8.2%），粗脂肪MC为3.59%、HC为3.53%，高于CK的3.12%；酸性洗涤纤维（ADF）在HC降至28.20%，较CK的31.72%降低11.1%，中性洗涤纤维（NDF）无显著差异；RFV由158.43升至167.08，HC的ADF/NDF为0.76，低于CK的0.84。2.9 从覆盖到饲草生产的因果路径结构方程模型：通过PLS-SEM量化多级路径，覆盖密度对土壤养分富集直接效应最强（β=0.91），其次为化学改良（β=0.84）和物理改善（β=0.72）；养分富集对植株生理增强最强（β=0.57），物理改善为β=0.36，化学改良到生理增强路径不显著（β=?0.06）；生理增强促进形态发育（β=0.64），形态发育促进产量（β=0.88）和品质（β=0.95），产量促进品质（β=0.87）；R²为0.55–0.90，GoF=0.76，SRMR=0.07。

讨论部分总结：草屑覆盖的土壤改良是物理重构、化学调理和生物活化的级联过程；覆盖层抑制蒸发、改善水分与结构，分解产物中和碱性、置换Na⁺并促进盐分淋洗，缓解盐碱胁迫后微生物矿化功能恢复，提高速效养分。物理效益存在密度阈值，MC在含水量和孔隙度上优于HC，可能与过厚覆盖影响气体交换和温度有关；SOM增幅需谨慎解释，因单次采样不能代表长期碳库变化。土壤改良转化为光合增强、越冬率提高、农艺性状改善以及产量和品质协同提升；PLS-SEM中化学改良对生理的直接路径不显著，说明化学脱盐降碱是必要前置条件，需通过物理结构和养分循环转化。生产意义在于草屑覆盖为苏打盐碱土修复提供低成本、可持续替代措施，较优覆盖量为12–18 t ha^?1，并实现雨损霉变草屑的资源化利用。局限包括单时点取样、未测微生物和酶活性、单一品种、两年周期及高碳草屑分解的氮固定风险。研究结论翻译：本研究证明，草屑覆盖通过多级级联机制有效改良苏打盐碱土并提高紫花苜蓿生产力。高密度覆盖（18,000 kg ha^?1）显著降低土壤pH、电导率和ESP，同时提高含水量、孔隙度和有机质。这些土壤改善显著促进苜蓿生长、光合和越冬存活，并同时提高干草产量和饲草品质。PLS-SEM模型确认，覆盖密度主要驱动土壤养分富集，后者继而增强植株生理并最终促进饲草产量和品质，模型拟合稳健（GoF=0.76）。这些发现为有机覆盖用于盐碱土修复建立了机制框架，并突出利用雨损霉变草屑作为土壤改良剂的双重农艺和经济收益。未来研究应关注长期微生物动态和优化覆盖量以实现经济高效的田间应用。