羧甲基纤维素（CMC）与生物炭配施改善干旱区滴灌枣园土壤水理性质并提高水分利用效率

《Agricultural Water Management》：Co-application of carboxymethyl cellulose and biochar enhances soil hydrophysical properties and water use efficiency in a drip-irrigated jujube orchard under arid conditions

　　

羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose，CMC）与生物炭（biochar）配施改善了沙土根区持水性。饱和土壤含水量（saturated soil water content，SSWC）增加15.69–20.73%，而饱和导水率（saturated hydraulic conductivity，K_s）降低22.79–29.17%。在改良处理下，水分利用效率（water use efficiency，WUE）最高提高18.75%。300 kg·hm^?2 CMC与3.0 t·hm^?2生物炭配施（C30B30）取得最佳综合农艺—经济表现。因子方差分析（factorial ANOVA）与偏最小二乘路径模型（partial least squares path modeling，PLS-PM）阐明了土壤—植物响应路径。

研究背景与问题：新疆南部干旱绿洲农业高度依赖灌溉，降水低而蒸发需求高；沙质枣园土壤入渗快、团聚作用弱，根区储水受限，灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）降低并制约枣生产。枣（Ziziphus jujuba Mill.）是该区域重要经济果树，栽培中心近几十年向塔里木盆地转移。该区光热资源丰富，但粗质地土壤保水保肥能力有限，集约水肥投入可能增加养分淋溶并降低资源利用效率。CMC为高黏度水溶性高分子，富含羟基和羧基官能团，可降低土壤水分损失、增加颗粒间内聚力、降低容重并改善持水和养分供应，但过高浓度会增加土壤基质内水分结合，可能减少根系易利用水，因此用量需平衡持水、水力行为和作物响应。生物炭为多孔碳质材料，可改变土壤物理性质、有机碳动态、养分保持和生物活性；在粗质地土壤中可提高田间持水量和植物有效水，并可能改善作物水分利用效率和产量，但其效果依赖原料、热解条件、粒径和用量，过量施用可能引入不良化合物或改变土壤水力行为。已有证据多涉及CMC或生物炭单施，多年生滴灌果园配施的田间证据仍有限；配施如何改变土壤持水与垂向再分配的平衡、是否转化为WUE和IWUE改善、是否偏离单施的加和效应，以及土壤水理性质—植物响应—生产力的统计路径尚不清楚。该研究旨在量化CMC与生物炭配施对南疆沙质枣园土壤—植物系统的影响；假设包括：配施改善土壤结构和根区持水，水分有效性提高与更高WUE和枣产量相关，中等配施比更高生物炭用量更能平衡农艺表现和改良剂成本。具体目标为评价土壤水理性质和根区水分分布，量化WUE、IWUE、产量和果实品质变化，用因子分析检验CMC×生物炭交互，并用冗余分析（redundancy analysis，RDA）和PLS-PM表征土壤性质与作物响应间的统计关联。

关键技术方法：以2022—2023年新疆生产建设兵团第十四师昆玉市224团8连12年生'Junzao'滴灌枣园为样本来源，采用随机完全区组设计（randomized complete block design，RCBD）和2×3因子设计（CMC 0/300 kg·hm^?2×生物炭0/3.0/6.0 t·hm^?2，共6处理），每年4月将改良剂混入滴灌线下5—35 cm土层，灌溉定额320 mm。测定土壤饱和含水量（SSWC）、饱和导水率（K_s）、持水量（water-holding capacity，WHC）、容重（bulk density，BD）、总孔隙度（total porosity，TP）、水稳性团聚体（WSA_0.25、平均重量直径MWD、几何平均直径GMD）、脲酶（urease activity，UA）、过氧化氢酶（catalase activity，CA）、蔗糖酶（sucrase activity，SA）、蒸散（evapotranspiration，ET）、IWUE/WUE、冠层叶面积指数（leaf area index，LAI）和相对叶绿素含量（relative chlorophyll content，RCC）、产量分级、果实品质及成本收益；用Pearson相关、RDA和PLS-PM（5000次bootstrap）解析路径。

研究结果：3.1 土壤水分动态的影响：两年田间试验显示，处理对多数土壤、酶、水分利用、产量和品质变量显著；年份×处理对WSA_0.25、MWD、SA、可滴定酸度（titratable acidity，TA）和糖酸比（sugar-to-acid ratio，S/A）显著，故分年解释。3.1.1 土壤耗水动态与水分利用效率：两年总ET在C30B30和B60较CK降低5.39%和5.68%（2022）及5.28%和6.25%（2023）；IWUE较CK提高11.03%–18.75%（2022），C30B30最高，2023年C30B30提高18.73%；WUE呈相似处理格局，单施中B60最高、配施中C30B30最高，C30B60未进一步提高IWUE或WUE。3.1.2 土壤饱和含水量、饱和导水率和持水量：田间测定表明SSWC较CK增加15.69%–20.73%（2022）和8.47%–18.31%（2023），C30B60最高；K_s在C30B30和C30较CK降低22.79%和23.35%（2022）及25.60%和29.17%（2023）；WHC最高较CK增加20.84%（2022）和18.09%（2023）；CMC×生物炭对SSWC、K_s、WHC交互不显著，表现为加和。3.1.3 土壤剖面含水量空间分布：剖面水分测定表明2022年0–40 cm土层C30、C30B30、C30B60较CK增8.71%、16.56%、9.10%，40–80 cm增6.23%、12.88%、14.57%；2023年0–40 cm增12.41%、19.22%、11.93%，40–80 cm增9.87%、15.36%、17.08%；C30B30维持上层根区较高储水，C30B60更多增加深层 monitored 层水分。3.2 土壤物理属性与酶活性的影响：3.2.1 土壤容重和总孔隙度：土壤物理测定表明2022年C30较CK降低BD 2.50%，C30B60较C30降低4.49%，B60较CK降低8.75%；2023年B60和C30B60较CK降低9.82%；2022年C30B60较C30增加TP 6.16%，C30和B60较CK增加3.69%和12.78%；2023年B60和C30B60较CK增加TP 9.82%；2023年BD和TP的CMC×生物炭交互显著。3.2.2 土壤团聚体几何平均直径、平均重量直径和结构稳定性：湿筛法表明2022年GMD由CK的0.095 mm升至C30的0.125 mm、B60的0.144 mm、C30B60的0.155 mm；MWD由0.120 mm升至0.210、0.226、0.251 mm；2023年C30、B60、C30B60的MWD较CK高75.83%、95.00%、129.17%；0.25–0.5 mm粒级增87.27%–165.60%，<0.125 mm粒级降16.88%–45.00%；WSA_0.25最大见于C30B60；WSA_0.25和MWD交互显著，团聚体稳定化呈非加和响应。3.2.3 土壤酶活性：酶活测定表明2022年B60较CK提高UA、CA、SA 70.44%、92.31%、103.13%，C30B60提高77.83%、102.56%、115.63%；2023年最大酶活多出现在B60或C30B60；SA在2023年交互显著，UA和CA两年交互不显著。3.3 枣生长性状、果实产量品质与经济效益的影响：3.3.1 冠层相对叶绿素含量和叶面积指数：冠层测定表明C30B60的RCC最高，较CK最大增25.77%；LAI在2022年为2.39–2.60，较CK增7.17%–16.59%，2023年为2.42–2.59，增9.50%–17.19%，C30B60最高。3.3.2 果实产量、内在品质和经济效益：产量品质经济分析表明C30B30两年产量最高，2022年C30、B60、C30B30较CK增10.57%、17.59%、18.62%，2023年C30B30增18.58%；C30B30提高特级、I级、II级比例106.29%、44.87%、56.46%（2022）和73.25%、91.25%、80.52%（2023），优质果率增63.63%和82.17%；TA较CK降低14.63%–27.93%（2022），2023年最大降29.10%（C30B60）；可溶性糖（soluble sugar，SS）达794.21和853.66 g·kg^?1，总黄酮（total flavonoid，FL）达2.25和2.35 g·kg^?1，S/A最高在C30B60，增53.42%和60.90%；2022年净收益CK为58,084.98、C30为71,224.15、B60为82,661.56、C30B30为86,125.96 RMB·hm^?2，同成本下C30B30较B60高4.19%；2023年B60和C30B30较CK高41.53%和43.74%，C30B30最高为96,998.70 RMB·hm^?2；C30B60净收益低于B60或C30B30。3.4 多变量分析：3.4.1 变量相关矩阵与网络分析：Pearson相关表明SSWC和WHC与K_s负相关（P<0.01；讨论给出r=?0.7564），BD与TP、WSA、GMD、MWD负相关，持水和团聚体指标与产量及品质变量正相关。3.4.2 冗余分析：RDA表明RDA1解释76.48%的约束变异；BD与产量和品质方向相反，SSWC与产量紧密同向，UA和CA趋向产量方向，LAI和RCC与产量正关联，K_s向量较短、贡献较弱。3.4.3 偏最小二乘路径模型：PLS-PM含5个潜变量和17个显变量，外载荷绝对值0.622–0.953；土壤物理、酶活、产量属性、品质的R²分别为0.862、0.878、0.813、0.805，模型GoF=0.8602；土壤水力性质对土壤物理、酶活、产量、品质的标准化路径系数为0.9284、0.9389、0.7529、0.7068；酶活对品质为0.9234，土壤物理对品质为?0.4729。

讨论总结：讨论部分指出，CMC可增加颗粒间黏结和持水，生物炭多孔结构可增加内部储水表面并改变孔径分布；SSWC和WHC升高与K_s降低符合互补作用，且SSWC、K_s、WHC的CMC×生物炭交互不显著，主要为加和响应。WUE和IWUE在多种改良处理下提高，但不随改良剂用量单调增加；C30B30高于C30B60，说明将生物炭由3.0增至6.0 t·hm^?2未带来额外作物水分利用收益。C30B60使更大比例新增水分储存在40–80 cm监测层，而C30B30更多保持0–40 cm根区水分，故C30B30根区水分分布更有利。CMC负电官能团可促进水合后颗粒间桥接，生物炭具有较高比表面积并可改变土壤装填和持水，这与BD降低及TP、WSA_0.25、GMD、MWD升高一致；团聚体稳定性对用量响应较强，WSA_0.25和MWD交互显著，而SSWC、K_s、WHC交互不显著。酶活升高与水分、底物有效性和微生物条件改善相一致。RDA和PLS-PM支持土壤水力性质在土壤—植物响应网络中的中心作用。农艺—经济上，C30B30较C30B60具有更有利的综合平衡；C30B60虽在若干土壤物理指标上最高，但因改良剂成本增加而未获比例产量增益，2023年净收益低于C30B30和B60。C30B30兼具最高优质果率（76.81%–78.26%）、较高WUE和IWUE及最高净收益。

研究结论翻译：在测试处理中，300 kg·hm^?2 CMC与3.0 t·hm^?2生物炭配施（C30B30）提供了最有利的综合农艺—经济表现。其使SSWC增加15.69%–20.73%，使K_s降低22.79%–25.60%，使WUE最高提高18.75%，并在两季产生最高果实产量和净收益。C30B60对若干土壤物理指标产生更大响应，但未在WUE、产量或经济收益方面带来相应增益。因此，结果表明，在沙土滴灌枣园中，中等配施量比更高生物炭用量更能平衡土壤持水、作物表现和改良剂成本。更长期和多地点试验将有助于确定该管理策略的可转移性。