不同秸秆管理方式调控滨海盐渍土水分、盐分、肥力与大麦产量的差异化路径

《Frontiers in Plant Science》：Distinct pathways of straw management practices regulate soil water, salinity, fertility and barley productivity in coastal saline soil

　　

摘要 引言： 土壤盐渍化通过损害土壤水分有效性、养分获取及根区环境，严重制约滨海农区作物生产力。基于秸秆的土壤管理措施被广泛提出用于盐渍土改良，但其比较效果及潜在机制尚不明确。 方法： 于2023年和2024年两个生长季开展为期两年的大麦（Hordeum vulgare L.）容器试验，比较地表秸秆覆盖（SM）、秸秆翻埋（SI）和秸秆源生物炭翻埋（BC）与未改良对照（CT）对滨海盐渍土土壤理化性质、作物生长及产量形成的影响。 结果： 结果表明，三种秸秆管理措施通过差异化路径改善了土壤-作物表现。SM在调控土壤水分和盐分动态方面能力最强，2024年抽穗期土壤含水量较CT提高84.9%，且整个生长季维持正盐分运移指数（SMI）值。因此，SM在两年中均获得最高籽粒产量，2023年和2024年分别达6581.95和7532.59 kg·ha-1，较CT分别增产6.25%和19.42%。BC在提升土壤肥力方面潜力最大，2023年土壤有机质（SOM）含量较其他处理提高33%以上，速效钾提高11%–26%，并维持最高肥力指数（FI）值（1.55–1.65）。SI促进养分积累，但土壤水分和养分响应表现出较大的年际变异。结构方程模型（SEM）揭示，土壤水分是大麦产量形成最一致的驱动因子，其效应主要通过产量构成要素介导。 讨论： 总体而言，地表秸秆覆盖是同时改善土壤保水、盐分调控和大麦生产力的最有效策略，而生物炭翻埋对土壤肥力提升的效益更大。研究结果强调了将秸秆管理策略与特定土壤限制因子相匹配，以提升滨海盐渍化农业生态系统作物生产力的重要性。

秸秆还田方式调控滨海盐渍土作物生产力的机制研究解读

一、研究背景与科学问题

土壤盐渍化是制约农田作物生产的主要限制因素，过量盐分降低土壤水势、干扰植物养分吸收并损害土壤物理功能。滨海盐渍土因浅层高矿化度地下水、强烈蒸发、自然排水受限及频繁的向上盐分运移，尤其容易发生盐分积累，导致根区环境恶化，限制作物建植、生长和产量形成。此外，气候变化和不合理的土地与水分管理可能加剧许多滨海农区的次生盐渍化。因此，开发能够同时调控根区水盐动态、改善土壤肥力并维持作物生产力的农艺措施，对于滨海盐渍化土地的高效利用至关重要。

秸秆还田被认为是改良盐渍土的有效途径，因其能提供有机碳并改变土壤水分运动、养分循环和结构性质。然而，其效果强烈依赖于施用方式。地表秸秆覆盖可减少土壤蒸发并限制盐分向上运移；秸秆翻埋可促进团聚体形成、增加孔隙度和入渗，并在分解过程中释放养分；秸秆源生物炭则提供相对稳定且多孔的碳源，可影响土壤保水性、养分有效性、阳离子交换量和盐分分布。尽管已有研究分别报道了单一秸秆管理措施对土壤有机质、保水性、养分有效性、盐分和作物产量的有益效果，但在相同田间和作物管理条件下对地表覆盖、秸秆翻埋和秸秆源生物炭的直接比较仍十分有限。此外，许多研究仅关注单一土壤变量，而土壤含水量、盐度、有机质和养分有效性相互作用共同决定作物生长和产量形成。因此，不同秸秆管理措施对作物表现影响中这些土壤性质的相对重要性及作用路径仍认识不足，限制了对最适宜滨海盐渍化种植制度的秸秆基措施的筛选。

基于此，研究人员提出假设：三种秸秆管理措施将通过不同机制改善滨海盐渍土-作物系统——地表覆盖主要调控土壤水盐动态，而秸秆和生物炭翻埋对土壤肥力和养分有效性影响更强；这些措施对作物生物量和产量的影响将由土壤含水量、盐度、有机质和速效养分的交互变化介导。为验证假设，研究人员于2023年和2024年两个生长季开展了大麦（Hordeum vulgare L.）试验，设置四种处理：无秸秆改良对照（CT）、地表秸秆覆盖（SM）、秸秆翻埋（SI）和秸秆源生物炭翻埋（BC），旨在量化各处理对土壤水分、盐度、有机质及速效氮磷钾的影响，确定其对作物生物量、产量构成要素和最终产量的效应，并利用结构方程模型（SEM）识别秸秆管理、土壤理化性质与作物表现之间的直接和间接路径。

二、关键技术方法

试验于中国江苏省扬州市扬州大学农业水文与生态水文试验站开展，采用户外土壤容器试验，连续两个大麦生长季（2022年11月至2023年5月，2023年11月至2024年5月）。供试土壤采自江苏省东台市条子泥垦区0–40 cm土层，初始全盐含量4.0 g·kg^-1，属中度盐渍土。试验设CT、SM、SI和BC四种处理，完全随机设计，三次重复，共12个容器。SM和SI施用小麦秸秆，BC施用玉米秸秆生物炭（500°C热解4 h），施用量按碳等量原则计算。每生长季开始前重新施用改良材料。测定项目包括：每10 d采集0–40 cm土壤样品测定土壤含水量（θ）；原位测定土壤电导率（EC）；收获后测定0–20 cm土壤有机质（SOM）、碱解氮、速效磷和速效钾；分生育期采集植株样品测定地上部干物质积累量；成熟期测定穗密度、每穗粒数、千粒重和籽粒产量。研究构建了盐分运移指数（SMI）和肥力指数（FI）两个综合指标，并采用结构方程模型（SEM）分析土壤性质、产量构成要素与产量之间的路径关系。

三、研究结果

3.1 剖面平均土壤含水量变化

土壤含水量在不同生长阶段和处理间差异显著。SM处理在两个生长季均表现出最强的保水能力，2024年拔节孕穗期土壤含水量达25.04%，较CT高18.9%；抽穗开花期达13.03%，较CT提高84.9%。2023年相对干旱条件下，SI在抽穗开花期含水量（12.09%）显著高于CT（6.91%），但2024年两者差异缩小。BC处理在2023年拔节孕穗期和抽穗开花期含水量最低，分别为10.05%和4.49%，表明生物炭在盐分胁迫和干旱条件下对作物可利用水分的贡献有限。

3.2 盐分运移动态

从返青拔节期至抽穗开花期，所有处理SMI值均为正，表明以向下盐分运移或淋洗为主。2023年SM表现出最强的向下盐分运移格局，返青拔节期SMI达2.67，且整个生长季维持正值。BC处理两年间SMI相对稳定，灌浆成熟期仍维持正SMI值（2024年为0.40）。CT处理在2023年灌浆成熟期出现最强的向上盐分运移（SMI为?0.56），SI在2024年灌浆成熟期也出现轻微向上运移（SMI为?0.03），表明晚期高温和强蒸发可能促进盐分在表层积累。

3.3 土壤肥力综合评价

所有处理FI值均超过1.35。BC处理两年FI值均最高，2023年和2024年分别为1.65和1.55，主要与其较高的SOM和速效钾含量有关。2023年BC处理SOM含量达15.22 g·kg^-1，较其他处理高33%以上；速效钾达269.33 mg·kg^-1，较其他处理高11%–26%。SI处理FI从2023年的1.36增至2024年的1.51，两年均维持最高碱解氮含量（分别为51.08和43.38 mg·kg^-1）。SM处理FI相对稳定（1.38–1.43），主要优势为较高的速效钾含量。CT处理FI最低，但2024年速效磷含量最高（16.22 mg·kg^-1）。两年间所有处理SOM和碱解氮含量下降，而速效磷含量增加104%–160%。

3.4 地上部干物质积累

2023年SM处理干物质积累优势明显，抽穗开花期达2.523 g·tiller^-1，较CT高17.8%，灌浆成熟期增至2.571 g·tiller^-1，相应时期相对生长速率（RGR）为0.0224 g·g^-1·d^-1，为各处理最高。SI处理两年表现相对一致，2023年灌浆成熟期干物质为2.188 g·tiller^-1，高于CT的1.979 g·tiller^-1。BC处理年际变异明显，2023年灌浆成熟期RGR降幅最大（?0.0159 g·g^-1·d^-1）。CT处理2024年灌浆成熟期干物质积累最高（1.848 g·tiller^-1），而SM同期为1.772 g·tiller^-1。

3.5 产量及产量构成要素

SM处理两年籽粒产量均最高，2023年为6581.95 kg·ha^-1，较CT增产6.25%；2024年为7532.59 kg·ha^-1，较CT增产19.42%。2023年SM每穗粒数最高（30.67），2024年SM千粒重最高（52.63 g）。BC处理2023年产量最低（4797.84 kg·ha^-1），较CT低22.55%，但2024年产量较CT高3.47%，千粒重和收获指数分别达50.30 g和60.60%。SI处理2024年产量较CT高5.66%。两年间所有处理每穗粒数下降22.96%–32.03%，千粒重则普遍增加，其中BC增幅最大（38.29%）。

3.6 秸秆还田条件下大麦产量驱动因素

SEM模型两年拟合度均良好（2023年：CFI=0.972，TLI=0.939，RMSEA=0.0195；2024年：CFI=0.961，TLI=0.938，RMSEA=0.0165）。土壤含水量是两年中产量最一致的驱动因子，2023年和2024年总效应分别为0.967和0.801，主要通过产量构成要素间接介导。2023年电导率对每穗粒数有负效应（β=?0.631），速效钾对千粒重和产量有负效应。2024年碱解氮和SOM对每穗粒数有正效应（β分别为0.234和0.357），速效钾对每穗粒数有负效应（β=?0.432）但对千粒重有正效应（β=0.440）。产量构成要素对产量的贡献存在年际差异：2023年千粒重贡献大于每穗粒数（β分别为0.740和0.523），2024年每穗粒数成为主导要素（β=0.830）。

四、讨论与结论

讨论部分指出，SM通过物理屏障减少土壤蒸发、提高降水储存效率，在需水关键期维持较高土壤含水量，是调控滨海盐渍土水盐动态最有效的策略。SI的保水效果依赖于季节性水分供应条件，在湿润年份与CT差异缩小。BC虽然多孔结构可增强土壤保水性，但在高渗透胁迫条件下所保持的水分未必能被作物有效利用。在盐分调控方面，SM和BC表现出较强的向下盐分运移格局，而CT和SI在特定年份灌浆成熟期出现向上盐分积累趋势。在肥力提升方面，BC通过提高SOM和速效钾含量实现最高的综合肥力指数，SI则通过促进养分积累逐步提升肥力。

研究结论表明，三种秸秆管理措施通过差异化路径改善滨海盐渍土-作物系统表现：地表秸秆覆盖是同时改善土壤保水、盐分调控和大麦生产力的最有效策略，而生物炭翻埋对土壤肥力提升的效益更大。结构方程模型揭示土壤水分是大麦产量形成最一致的驱动因子，其效应主要通过产量构成要素介导。这些发现强调了将秸秆管理策略与特定土壤限制因子相匹配的重要性，为滨海盐渍化农业生态系统中提升作物生产力提供了农学依据。