《Environmental Technology & Innovation》：Calcium lignosulfonate, biochar, and bioorganic fertiliser synergistically improve soil quality and wheat productivity under deficit irrigation
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本研究针对在土壤贫瘠和水分有限的条件下，如何维持小麦生产力和土壤健康这一关键问题，通过结合钙质木质素磺酸盐(CL)、生物炭(B)和生物有机肥(BOF)等土壤改良剂，系统评估了其在两种亏缺灌溉(DI90和DI60)模式下对土壤碳库、微生物群落、小麦生理响应及产量的协同效应。结果表明，三种改良剂联合施用(CL+B+BOF)效果最优，能显著提高土壤有机碳含量(EOC、TOC、DOC)、增加微生物多样性(Chao1指数达2828.57)、降低氧化应激标志物(如MDA)水平、提升净光合速率(达20.84 μmol m-2s-1)和水分利用效率，最终使单株总生物量提高至32.20±1.51 g。该研究为在缺水环境下通过综合土壤管理策略提升作物抗逆性和生产力提供了科学依据。
在全球水资源日益紧张和土壤退化加剧的背景下，如何在有限的灌溉条件下维持甚至提高作物产量，是农业生产面临的严峻挑战。传统的农业管理方式往往难以在节水的同时保障土壤肥力和作物健康，导致在干旱胁迫下小麦等主要粮食作物的生产力显著下降。土壤有机质含量低、微生物活动减弱、养分可利用性差等问题，进一步加剧了水分胁迫对作物生长的负面影响。因此，探索能够协同改善土壤质量、增强作物抗旱能力并提高水分利用效率的综合管理策略，具有重要的现实意义。近期，一项发表在《Environmental Technology》上的研究，为我们提供了一种颇具潜力的解决方案。
该研究由中国河海大学农业科学与工程学院的研究团队完成，旨在探究钙质木质素磺酸盐(CL)、生物炭(B)和生物有机肥(BOF)三种土壤改良剂，单独或联合施用，在两种不同水平的亏缺灌溉(DI90和DI60，即分别提供作物蒸发蒸腾量ETc的90%和60%)条件下，对小麦生长、土壤特性及微生物群落的影响。研究通过系统的盆栽实验，评估了这些改良剂如何通过改善土壤碳动态、调控微生物组成、缓解植物氧化应激以及增强光合作用等途径，最终提升小麦的生产力和水分利用效率。
研究人员采用了多项关键技术方法来支撑这项综合性研究。实验在河海大学的开放式防雨棚中进行，使用采集自南京的酸性壤土。研究设计了包含两种灌溉水平和五种土壤改良处理（对照CO、单施CL、CL+BOF、CL+B以及三者联合CL+B+BOF）的随机区组实验。关键的测定技术包括：使用湿氧化法和分光光度法测量土壤可氧化碳(EOC)、总有机碳(TOC)和溶解性有机碳(DOC)；通过16S rRNA基因测序（使用HiPure Soil DNA Kit提取DNA，针对V3区扩增）分析土壤细菌群落的α多样性（如Chao1和Shannon指数）和分类组成；利用LI-6400XT便携式光合作用系统测定叶片净光合速率(Pn)和气孔导度；采用硫代巴比妥酸反应物法测定叶片丙二醛(MDA)含量以评估氧化损伤；使用环境扫描电子显微镜耦合能谱仪(SEM-EDX)分析叶片中的氮(N)、磷(P)等元素分布与含量；并通过常规方法测量了植株形态指标、生物量及水分利用效率(WUE)。所有数据均通过双因素方差分析和主成分分析(PCA)进行统计处理。
3.1. 不同改良剂对不同水分条件下土壤有机碳含量的影响
研究结果显示，土壤改良剂对土壤有机碳组分有显著影响。在两种灌溉水平下，CL+B+BOF联合处理的效果均最佳。例如，在DI90条件下，该处理使EOC、TOC和DOC分别提升至约8 g kg-1、18 g kg-1和350 mg kg-1，显著高于对照和其他单一或双重处理。这表明三种改良剂的协同作用能有效提升土壤中活性与稳定碳库的含量，为微生物活动和土壤结构改善提供了物质基础。
3.2. 不同改良剂对不同水分条件下土壤细菌多样性的影响
土壤细菌群落的多样性对改良剂和水分处理响应明显。在DI60条件下，CL+B+BOF处理的微生物丰富度(Chao1指数)和多样性(Shannon指数)最高，分别达到约2828.57和8.79。在分类组成上，联合处理降低了变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度，同时提升了放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)的比例。这种微生物群落结构的重塑，趋向于更多有益于植物生长的类群，可能与改良剂提供的碳源和改良的微环境有关。
3.3. 不同改良剂对不同水分条件下根系响应的影响
通过共聚焦荧光显微镜观察发现，土壤改良能有效降低小麦根系中过氧化氢(H2O2)的积累，这是氧化应激的一个指标。在水分胁迫更严重的DI60条件下，CL+B+BOF处理的根系H2O2荧光强度最低，表明该处理能最大程度地缓解干旱诱导的氧化损伤，保护根系细胞。
3.4. 不同改良剂对不同水分条件下植物光合特性的影响
改良剂处理显著改善了小麦的光合性能。在DI90和DI60条件下，CL+B+BOF处理的净光合速率(Pn)最高，分别达到16.54和13.60 μmol m-2s-1，气孔导度也相应提高。这表明即使在缺水条件下，联合改良剂通过改善土壤条件和植物水分状况，保障了光合器官的正常功能。
3.5. 不同改良剂对不同水分条件下植物抗氧化防御系统的影响
与氧化应激降低的结果一致，联合改良剂处理提升了小麦叶片的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量。例如，CL+B+BOF处理下，谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸还原酶(NRA)和过氧化氢酶(CAT)的活性均显著高于对照。同时，脯氨酸含量增加，而氧化损伤标志物丙二醛(MDA)的含量降至5-6 μmol g-1左右。这些生理变化共同增强了植株在水分胁迫下的耐受能力。
3.7. 不同改良剂对不同水分条件下植物氧化应激标志物的影响 (原文3.6与3.7节标题重复，此处依据内容合并)
除了MDA，超氧阴离子自由基(O2•-)的产生也受到处理影响。总体而言，联合改良剂处理有助于维持较低的活性氧水平，减轻了膜脂过氧化作用。
3.8. 不同改良剂对不同水分条件下植物叶片元素组成的影响 (对应原文3.7节)
SEM-EDX分析直观地展示了改良剂对叶片养分吸收的促进效果。CL+B+BOF处理的小麦叶片中，氮(N)和磷(P)的信号强度显著高于对照，且分布更为均匀。这证实了联合改良剂能有效提升植物对关键营养元素的吸收和转运效率，为改善植株生理功能提供了物质基础。
3.9. 不同改良剂对不同水分条件下小麦植株形态性状和干物质积累的影响
最终，这些积极的土壤和生理响应转化为了可观的生长优势。在DI90条件下，CL+B+BOF处理的小麦株高、茎粗、分蘖数、单株籽粒干重和总生物量均达到最高值，分别为51.9 cm、5.59 mm、20.0个、13.86 g和32.20 g。即使在更严格的DI60条件下，该处理的各项生长指标也显著优于对照。
3.10. 不同改良剂对不同水分条件下小麦水分利用和水分利用效率的影响
更重要的是，联合改良剂在提高产量的同时，还显著提升了水分利用效率(WUE)。在DI60条件下，CL+B+BOF处理的WUE达到0.20 g mm-1，意味着每消耗一毫米水能生产更多的干物质。这表明该策略不仅能抗旱，还能实现更高效的水资源利用。
3.11. 多元分析
相关性热图和主成分分析(PCA)进一步整合了上述发现。分析表明，净光合速率(Pn)、水分利用效率(WUE)、根长等指标与总干物质(TDM)和籽粒干物质(GDM)产量呈高度正相关，而氧化损伤标志物MDA则与这些产量指标呈负相关。PCA结果显示，CL+B+BOF处理在代表高产和高生理效率的PC1轴上得分最高，这从统计学上证实了该处理通过协同改善土壤碳动态、微生物群落、植物生理和抗氧化能力，从而驱动了系统性的生产力提升。
研究结论与意义
本研究的结论明确：钙质木质素磺酸盐(CL)、生物炭(B)和生物有机肥(BOF)的联合施用，在亏缺灌溉条件下对改善土壤质量、促进小麦生长和提升产量具有显著的协同增效作用。这种组合策略通过多重机制发挥作用：首先，它大幅提升了土壤中不同形态的有机碳含量，为微生物创造了更丰富的栖息地；其次，它重塑了土壤细菌群落结构，增加了放线菌门和拟杆菌门等有益菌群的比例；第三，它增强了小麦的光合能力、抗氧化防御系统和养分吸收效率；最终，这些改善共同导致了植株生物量、籽粒产量以及水分利用效率的显著提高。
该研究的重要意义在于，它为解决干旱半干旱地区农业可持续发展中的核心矛盾——水资源短缺与粮食需求增长——提供了一个切实可行的综合技术方案。它超越了单一改良剂或单纯节水灌溉的研究范畴，揭示了通过“土壤改良-微生物调控-植物生理增强”的多层次协同路径，可以在节约灌溉用水的同时，实现作物生产力的稳定甚至提升。这不仅为应对气候变化下的水资源挑战提供了新思路，也为利用工业副产品（如木质素磺酸盐）和农业废弃物（生产生物炭）进行土壤修复和地力提升指明了方向。未来，在大田尺度、不同土壤类型和更长周期下验证该方案的长期效应与环境效益，将是推动其实际应用的关键。
