深耕通过土壤综合改良缓解根系生长限制，提高盐碱地高粱产量

《Journal of Environmental Management》：Subsoil tillage boosts sorghum yield in saline-alkali soils by alleviating constraints on root growth through integrated soil improvement

　　

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  深松作业通过协同改良土壤的物理与化学胁迫，突破了根系生长所受的局限。
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  土壤生境改善驱动的根系形态重塑，增强了资源捕获能力。
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  结构方程模型对盐碱条件下的"土壤—根系—产量"因果路径进行了定量分析。

引言

盐碱土是全球农业生产力与粮食安全面临的严峻挑战之一，对作物生产具有显著的不利影响（Viana 等，2022）。在高盐分、土壤理化性质不良的农田中，物理胁迫与化学胁迫的叠加形成了严苛的根际环境，极大限制了作物的出苗、生长与产量潜力，这一问题在干旱与半干旱地区尤为突出（Duan 等，2024）。

高粱（Sorghum bicolor L. Moench）凭借其固有的耐旱、耐热以及耐中轻度盐碱能力，是边际生境中极为重要的作物（Zhang 等，2023）。其 C4 光合途径赋予其较高的水分利用效率，使其成为数亿人口在艰苦农业生态系统中赖以生存的主粮，同时也是饲草、生物燃料和工业淀粉日益重要的来源（Singh 等，2003；Hargrove 等，2011；Shi 等，2022）。然而，即便高粱的耐逆性也存在其界限（Mundia 等，2019）。在严重退化的盐碱土壤上，其生产力依然不理想，主要原因是不良的土壤条件阻碍了根系发育——而根系发育正是水分与养分获取以及植株整体活力的基础（Li 等，2025a）。根系特征，特别是其表面积与构型，是决定植物探索土壤体积、获取资源以及抵抗非生物胁迫能力的关键因素（Koevoets 等，2016）。在盐碱土壤中，根系生长常受到抑制、侧根形成受阻、根毛发育受损，从而缩小了植物与土壤之间的功能界面（Yang 和 Guo，2018；Zhang 等，2019）。因此，促进根系发育对于挖掘高粱在这些困难土地上的产量潜力至关重要。

传统的土壤改良方法往往涉及成本高昂或存在环境问题的做法，包括利用优质灌溉水进行大规模淋洗（Yu 等，2010；Suleiman 等，2021）、施用石膏等化学改良剂以置换可交换钠（Sisay 等，2021），以及施用有机肥（粪肥、堆肥、作物秸秆）以改良土壤结构和养分（Yao 等，2025）。尽管这些方法在一定程度上有效，但均存在局限性，包括成本高昂、物流困难（尤其是水资源短缺）、见效缓慢、可能引发二次盐渍化，以及对心土限制因素的改善效果有限。

深松作业（ST）是一种有望改良心土限制因素、改善根区环境的技术。在中国农业文献中，这种方法有时被称为"分层深耕"（Zeng 等，2024）。与浅耕或深耕不同，深松作业使用专用机具开挖深（30–50 cm）而窄的垂直沟槽，并同时施入有机改良剂（作物秸秆、粪肥、生物炭或其混合物）（Sun 等，2017；Tekeste 等，2020；Li 等，2025b）。该方法通过相互关联的机制改良土壤：物理破断降低容重、增加大孔隙度，从而促进根系深扎并增强土壤水气交换（Tekeste 等，2020）；有机质则改善化学限制因素、缓冲 pH、提高阳离子交换量、释放养分并刺激微生物活性，进一步稳定土壤结构和养分循环（Sisay 等，2021；Liu 等，2025）。这些改良同时也改变了土壤水文学特性：孔隙度增加促进了盐分的优先淋洗，而有机质提高了植物可利用水的保持能力（Omondi 等，2016；Suleiman 等，2021）。综合作用下，深松作业在原本恶劣的盐碱土壤中形成了具有优良结构、较低盐分、丰富养分和较高生物活性的垂直离散微生境，为根系探索提供了优先通道。

尽管已有研究表明深松作业可提升盐碱地作物产量（Tekeste 等，2020；Suleiman 等，2021），但从土壤改良到根系形态可塑性的机制路径仍知之甚少。根系可塑性是作物在盐分胁迫下适应的关键（Koevoets 等，2016；Zhang 等，2019），而对根系系统作为土壤与地上部之间功能纽带进行深入分析的报道十分匮乏（Yang 和 Guo，2018）。厘清土壤改良导致根系重塑、进而提升产量的序贯关系，对于优化深松作业的应用至关重要（Zeng 等，2024）。本研究检验了如下假设：深松作业通过缓解土壤限制因素，触发根系形态可塑性从而增强资源获取能力，进而提高高粱产量。具体目标为：（1）量化深松作业对根区土壤理化性质及盐分的影响；（2）表征高粱根系的形态学响应；（3）利用结构方程模型建立土壤改良、根系可塑性与产量之间的定量关系。

各部分要点

试验地概况

田间试验（2018–2019 年）在中国内蒙古自治区乌源县长兴场镇进行。该区域属中温带季风气候区，年日照时长 3263 小时，年平均气温 6.1 ℃，≥10 ℃ 积温 3392 ℃，无霜期 117–136 天。年蒸发量超过 2000 mm，而年平均降雨量为 170 mm。冬季和春季地表土壤盐分较为突出。土壤的物

土壤容重与持水性

如图 1a 所示，播种期 0–10 cm 土层土壤容重（BD）在常规耕作（CT）与深松作业（ST）之间差异不显著。在 10–40 cm 土层，与 CT 相比，ST 的容重分别降低 0.1、0.23 和 0.08 g cm^?3，其中在 20–30 cm 处降幅最大（15.33%）。收获后，ST 处理下 0–40 cm 土层容重较 CT 分别降低 0.12、0.16、0.10 和 0.13 g cm^?3，其中 10–20 cm 处降幅最大（10.32%），表明 ST 在松解心土方面更为有效。ST 处理下前 30 cm 土层的土壤孔隙度

讨论

深松作业被广泛认可可以提升盐碱地作物产量，然而将土壤生境改善、根系重建与产量形成联系起来的一体化因果路径一直缺乏定量解析。本研究通过结合田间试验与多元统计建模，不仅确认了深松作业对高粱的增产效果，还从机制上阐明了完整的"土壤—根系—产量"连续过程。深松作业使作物生长策略从胁迫态

结论

这项为期两年的田间试验，结合多模型分析表明，深松作业能够系统性地改善盐碱地根区土壤的物理结构、缓解盐分胁迫并刺激微生物活性，从而为高粱根系创造了优化的生长环境。土壤生境的改善直接驱动了根系形态的重塑，使根系长度、表面积和生物量显著增加，进而增强了水分和养分的获取能力。

CRediT 作者贡献声明

Ruxin Zhang：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，软件，方法论，调查，数据整理。Wei Yang：写作—审阅与编辑，监督，项目管理，资助获取，形式分析，概念化。Liping Wang：软件，调查，资助获取，数据整理，概念化。Yuting Shi：方法论，调查，数据整理。Xiaomin Zhang：软件，调查，数据整理。Fenglin Shi：软件，调查，数据

基金资助

本工作受国家自然科学基金（52109056; U24A20179）；内蒙古自治区自然科学基金（2026QC0558; 2025YQ010）；内蒙古自治区科技计划项目（2026YFHH0178）；中央引导地方科技发展基金项目（2026ZY0113）资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能对本论文报告的工作产生影响的可认知竞争经济利益或个人关系。

Ruxin Zhang|Wei Yang|Liping Wang|Yuting Shi|Xiaomin Zhang|Fenglin Shi|Xianyue Li|Zhongyi Qu