盐碱地根际优化策略对比研究：生物改良剂与耐盐植物间作对油莎豆光合作用及功能性状的调控机制

《Plant Science》：Optimizing the rhizosphere to enhance photosynthesis and functional traits of Cyperus esculentus in saline-alkali soils: A comparison between biochemical amendments and salt-tolerant plant intercropping

本研究针对新疆盐碱地作物生长受限问题，通过对比微生物菌剂（MA）、腐植酸（HA）等生物改良剂与耐盐植物（盐地碱蓬SS、欧洲盐角草SE）间作两种根际优化策略，系统评估其对油莎豆（Cyperus esculentus）光合性能及功能性状的调控机制。结果表明，生物改良剂通过降低土壤pH（10-14%）、提升速效氮（29-51%）改善养分供应，而间作通过降低土壤电导率（EC）和Na+含量缓解离子胁迫。两种策略均显著提升净光合速率（Pn，20-22%）、叶生物量（18-27%）及块茎产量，并通过植物性状网络（PTN）分析揭示了不同的生理-形态协同适应路径。该研究为盐碱地作物可持续栽培提供了理论依据和实践方案。

　　

在干旱半干旱地区，土壤盐碱化是制约农业生产的关键障碍。中国新疆分布着大面积的盐碱土壤，高盐分、高pH和低肥力特征导致作物减产和土地退化。油莎豆（Cyperus esculentus）作为一种中等耐盐的油料作物，虽具生态经济价值，但其在盐碱地上的栽培仍面临挑战。尽管生物改良策略被提出以缓解盐胁迫，但这些措施对作物光合性能及功能性状协调机制的影响尚不明确。

为探究不同生物策略对盐碱地作物生长的调控机制，研究人员在新疆莎车县和阜康市典型盐碱地开展实验，设置对照（CK）、微生物菌剂（MA）、腐植酸（HA）、盐地碱蓬（Suaeda salsa，SS）间作和欧洲盐角草（Salicornia europaea，SE）间作五种处理。研究通过测定土壤理化性质、光合参数（如净光合速率Pn、气孔导度Gs）、叶绿素荧光动力学（OJIP曲线）及植物功能性状（比叶面积SLA、根直径RD等），结合植物性状网络（PTN）和结构方程模型（SEM），系统分析根际优化对油莎豆生理生态过程的影响。

主要技术方法

研究采用田间试验设计，在两地设置完全随机区组，测定土壤pH、电导率（EC）、速效氮（AN）等指标，计算土壤质量指数（SQI）。植物光合参数用便携式光合仪测定，叶绿素荧光通过OJIP瞬变曲线分析，功能性状包括形态、生理及生化指标。数据通过线性混合模型和PTN网络拓扑分析进行统计验证。

3.1 生物处理下的根际变化

生物改良剂（MA、HA）显著降低土壤pH并提升速效养分，而间作（SS、SE）主要降低土壤EC和Na⁺含量。两者均通过不同途径改善根际环境，支持油莎豆养分吸收或离子胁迫缓解。

3.2 不同生物处理下各性状的变化

生物改良剂处理提升叶绿素a（Chl a）和叶片氮含量（LN），增强光能捕获能力；间作处理通过降低类胡萝卜素（Car）和可溶性糖（TSS）积累，促进形态可塑性（如增加SLA和比根面积SRA）。叶绿素荧光分析表明，间作显著提升电子传递效率（φEo）和性能指数（PI_abs），而生物改良剂优化光化学反应中心能量分配。

3.3 改良措施对生物量和产量的影响

所有处理均显著增加叶片和块茎生物量，其中间作处理在成熟期叶片生物量提升27.14%，块茎产量增幅最高达35.96%，且收获指数稳定，表明生物量高效转化为经济产量。

3.4 性状间关联性

PTN分析显示，生物改良剂处理中Pn与水分利用效率（WUE）和PI_abs正相关，强调生理稳态优化；间作处理中Pn与SLA、SRA正相关，呈现形态-光合协同适应。间作处理的网络密度更高（0.10），表明性状整合程度更强。

4.1 生物处理对光合作用的影响

生物改良剂通过提升养分有效性促进Rubisco活性和电子传递链效率；间作则通过根系互作降低Na⁺毒性，保护PSII反应中心（如D1蛋白），从而增强QA至PQ的电子传递。管道模型证实两者均减少能量耗散（DI₀/RC），提升光合能量转化效率。

4.2 生理与形态性状的响应

生物改良剂侧重生理调控（如增加Chl a和LN），而间作诱导形态适应（如降低根直径RD，增加比根面积SRA）。两者分别通过“养分富集”和“离子稀释”途径协调资源分配，最终提升水分利用效率（WUE）和产量。

4.3 性状间关系

研究提出“生境资源-功能权衡”框架：资源充足时间作强化性状协同整合，而生物改良剂在资源受限时优先保障核心生理功能。SEM分析表明，土壤pH和EC是驱动性状协调的关键因子。

结论与意义

本研究验证了根际优化策略可通过不同机制增强油莎豆耐盐性：生物改良剂以养分调控和生理稳态为主，间作以离子缓解和形态可塑性见长。PTN和SEM分析揭示了性状协同的生态适应策略，为盐碱地作物栽培提供了理论依据。未来需结合微生物组学与同位素示踪技术，深入解析根际互作机制。该成果发表于《Plant Science》，对干旱区农业可持续发展具有重要实践价值。