堆肥和生物肥料对严重盐碱干旱农田土壤质量、玉米产量和多功能性的短期影响

《Agronomy》：Short-Term Effects of Compost and Biofertilizer on Soil Quality, Maize Productivity, and Multifunctionality in Severely Saline Arid Farmland

　　

在干旱和半干旱地区，严重盐碱胁迫（salinity stress）对农田恢复施加了强烈的非生物约束。本研究评估了有机改良剂（organic amendments）在严重盐碱胁迫下一个生长季对土壤质量（soil quality）、玉米（maize）产量和短期生态系统多功能性（ecosystem multifunctionality, EMF）的影响。研究人员进行了一项田间试验，设置了不同施用量的生物肥料（biofertilizer，针对植物-土壤生物调控）和堆肥（composted manure，针对直接土壤改良）。高施用量堆肥处理（T6）显示出最大的短期改善：与仅施用化肥的对照（CK，在相同的灌溉和覆膜管理下，土壤质量指数（soil quality index, SQI）=0.716，产量=6.657 t ha^?1，EMF_a=0.456）相比，在一个生长季内SQI提高了165%，玉米产量提高了41%，EMF_a提高了104%。偏最小二乘路径模型（partial least squares path modeling, PLS-PM）表明，在生物肥料处理下，观察到植物相关关联路径但相对较弱（β=0.215），而在堆肥处理下，EMF的变化主要与土壤质量改善相关（β=0.992）。总体而言，这些短期结果表明，在测试的施用量和严重盐碱胁迫下，高施用量堆肥在第一个生长季比生物肥料更有效地改善基线土壤条件。这些发现为分阶段管理策略提供了一个初步的概念性视角，严格作为一个初步假设，其中初始阶段优先考虑土壤改良，随着基线条件改善逐步整合生物导向的干预措施。然而，未来需要多年度和多地点研究来严格验证这一拟议框架的长期可行性，并检验这些关联模式是否在更长时间尺度和更广泛区域背景下持续存在。

土壤盐碱化是干旱和半干旱地区农业生产与生态安全的主要威胁，尤其在西北内陆绿洲灌区（如民勤县），长期不合理灌溉与强烈蒸发加剧了次生盐碱化，导致农田生产力下降和生态系统退化。严重盐碱胁迫通过降低渗透势、引发离子毒性，抑制种子萌发、根系生长和养分吸收，并恶化土壤结构，限制微生物活动和养分循环。虽然有机改良剂和生物肥料已被证实可改善盐碱土壤质量和作物产量，但关于不同主导作用机制的改良策略（如生物肥料侧重生物调控，堆肥侧重直接理化改良）在严重盐碱农田初始修复阶段的短期生态系统多功能性（ecosystem multifunctionality, EMF）响应差异尚不清楚。现有评估多采用单一指标（如土壤质量指数（soil quality index, SQI）或产量），无法全面反映系统功能响应，甚至可能掩盖功能权衡。为此，研究人员在甘肃省民勤县干旱区盐渍化研究站开展单季田间试验，比较施用量不同的生物肥料（0.60、0.75、0.90 t ha^?1）与堆肥（3.00、4.50、6.00 t ha^?1）对严重盐碱土壤的短期效应，评估两者对土壤质量、玉米产量及EMF的影响，并利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）探索潜在关联路径。结果表明，高施用量堆肥（T6）显著提升了SQI（增加165%）、玉米产量（增加41%）和EMF_a（增加104%），效果优于生物肥料。PLS-PM显示，堆肥处理下EMF变异主要与土壤质量改善高度相关（β=0.992），而生物肥料处理下植物相关路径相对较弱（β=0.215）。这些发现为严重盐碱退化农田提出了一种分阶段管理策略的初步概念框架：初始阶段优先进行充分的有机改良以改善基础理化条件，随后逐步整合生物导向干预。该研究发表在《Agronomy》期刊上。

本研究涉及的主要关键技术方法包括：（1）田间试验设计：采用随机完全区组设计（RCBD），在甘肃省民勤县严重盐碱旱地（39°2′37.46′′ N, 103°36′35.64′′ E）进行，设置7个处理（CK及T1–T6），每个处理3个重复。（2）综合指标计算：基于14项土壤理化与生化指标，采用总数据集法（TDS）计算未加权平均土壤质量指数（SQI）；采用平均法（EMF_a）和阈值法（EMF_t）量化生态系统多功能性（EMF），涵盖作物生产力、盐环境、碳循环、养分循环和生物活性5个功能类别。（3）统计建模：利用随机森林（RF）识别SQI和EMF_a的关键预测因子；通过冗余分析（RDA）评估土壤性质与作物产量及生长指标的关系；使用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）探索改良剂处理、土壤质量、玉米产量与EMF之间的关联路径。

**3.1 协同改善土壤质量、玉米产量和生态系统多功能性**
通过全局单因素方差分析比较各处理对土壤性质、SQI、玉米产量及EMF指标的影响。研究发现，与仅施化肥的对照（CK）相比，所有有机改良处理均显著提升SQI，其中高施用量堆肥（T6）提升最大，增加约165%；玉米产量提高12%–41%，T6处理产量显著高于其他处理；EMF_a提高20%–104%，T6处理增幅最大。阈值分析显示，CK处理中48%和89%的生态功能指标分别未达到中等（50%）和高（80%）阈值，而T6处理超过85%的指标维持在80%阈值以上。

**3.2 土壤质量与生态系统功能的驱动因子**
通过雷达图和随机森林（RF）模型识别关键限制因子。对于SQI，土壤有机碳（SOC）和土壤含水量是最重要的两个预测因子（p < 0.05）；堆肥处理通过显著提高SOC含量和改善土壤物理结构，有效缓解了严重盐碱土壤的压实与养分缺乏。对于EMF_a，所有五个功能类别（碳循环（CC）、作物生产力（CP）、养分循环（NC）、生物活性（BA）、盐环境（SE））均显著贡献于模型解释力，其中CC和CP重要性最高，表明EMF恢复与非生物改善和生物过程增强均相关联。

**3.3 土壤性质与作物生产力的关系**
冗余分析（RDA）表明，土壤性质与玉米产量和生长指标显著相关，累积解释86.59%的方差。与CK相比，所有有机改良处理显著改善主要农艺性状，其中穗重和百粒重分别提高6%–127%和13%–37%（p < 0.05）。高施用量堆肥处理下茎粗、穗重和百粒重达到最大值，体现出协调营养生长与产量形成的协同效应。Pearson相关分析显示，玉米产量和生长指标与土壤水分、SOC、全氮（TN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）及多种酶活性显著正相关，与电导率（EC）、全盐量（TS）、交换性钠百分比（ESP）和钠吸附比（SAR）显著负相关。

**3.4 不同改良剂下土壤质量、产量与EMF的关系**
偏最小二乘路径建模（PLS-PM）揭示了不同改良策略下EMF的短期关联模式差异。在生物肥料处理下，模型识别出两条显著路径：土壤质量直接关联EMF（β=0.795，p < 0.001），以及玉米产量伴随关联EMF（β=0.215，p < 0.05），表明土壤质量改善与作物生长增强共同与短期生态功能相关。在堆肥处理下，关联模式显著转变：产量到EMF的路径不显著且系数很小（β=0.007，p > 0.05），而土壤质量与EMF出现主导性的显著关联（β=0.992，p < 0.001），说明短期内EMF变异主要与土壤质量指标相关。

本研究讨论指出，在严重盐碱胁迫的早期修复中，短期EMF恢复与直接土壤理化改良的统计关联强于植物介导的反馈。覆膜和灌溉为盐分淋洗提供了基础，但有机改良剂通过改善团聚体稳定性、孔隙度和持水能力，可能更有效地降低盐胁迫。高施用量堆肥富含腐殖质和有机碳，可缓冲盐分胁迫并重塑土壤基质，从而显著提升SQI。PLS-PM结果进一步表明，生物肥料处理下植物相关路径较弱，可能与严重胁迫下作物资源更多分配于生存功能、抑制根际碳输入有关；而堆肥处理下土壤质量对EMV变异起主导作用，验证了初始阶段理化改良的关键性。基于此，研究人员提出分阶段修复策略的概念框架：第一阶段优先投入足够有机改良（如堆肥）改善基础理化条件，第二阶段逐步整合生物导向干预（如生物肥料）。但需强调，该框架仅为初步假设，由于本研究仅覆盖一个生长季且样本量有限（每处理3个重复），同时堆肥与生物肥料的碳、养分投入量不等，因此PLS-PM结果应视为探索性关联模式而非因果机制。未来需开展多年度、多地点试验，并纳入更细的有机投入梯度及关键生长阶段的重复采样，以验证该框架的长期可行性和区域适用性。

**5. 结论**
在严重盐碱农田中，早期农业修复可能受到强烈的非生物胁迫限制。在这个单季田间试验中，与生物肥料处理相比，高施用量堆肥在土壤质量指数（SQI）、玉米产量和生态系统多功能性（EMF）方面取得了更大的改善。路径分析表明，短期EMF响应与直接的土壤理化改善密切相关，而与作物相关生物响应的关联较弱。这一模式表明，在严重盐碱土壤的初始修复阶段，土壤理化改善可能是一个更直接的管理目标。这些结果突显了恢复初期直接进行土壤理化改良的实际重要性。因此，可以严格作为一种初步概念视角和可检验的假设提出一个分阶段管理框架：假设初始修复优先使用足够有机改良（如按本地推荐量施用堆肥）以改善基础理化土壤条件，然后在严重非生物胁迫开始缓解时逐步整合生物导向干预（如生物肥料）。然而，该框架严格作为初步假设而非成熟策略。鉴于本研究为单季试验，这些发现为早期土壤响应提供了初步的短期田间证据，明确需要通过未来多年度、多地点的研究进行稳健验证，以评估长期生态稳定性，使用养分等量输入验证这些路径，并确认其更广泛的区域适用性。