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作者及发表信息

本研究的主要作者包括Qiang Xu、Hongguang Liu、Mingsi Li等，他们分别来自石河子大学水利建筑工程学院和新疆生产建设兵团现代节水灌溉重点实验室。该研究于2024年2月19日发表在Frontiers in Plant Science期刊上，论文标题为《Effects of Water–Nitrogen Coupling on Water and Salt Environment and Root Distribution in Suaeda Salsa》，DOI为10.3389/fpls.2024.1342725。

学术背景

本研究的主要科学领域是植物科学与农业生态学，特别是盐碱地改良与植物根系分布的研究。盐碱化土壤广泛分布于全球，尤其是在中国，盐碱地面积约占全球的10%，其中新疆是中国最大的盐碱土分布区，占全国盐碱地面积的36.80%。盐碱地的合理开发利用是当前农业发展的热点问题，而碱蓬（Suaeda salsa）作为一种耐盐植物，能够主动吸收土壤中的盐分并积累在地上部分，从而改善盐碱地质量。此外，碱蓬还可作为牲畜饲料，推动盐碱地的大规模开发利用。

本研究的背景知识包括：植物根系在吸收水分和养分中的关键作用，以及土壤水分和盐分条件对根系分布的影响。特别是土壤基质吸力（soil matrix suction）而非土壤含水量，被认为是影响根系分布的主要因素。此外，水肥耦合效应（water-nitrogen coupling）对作物生长和根系分布的影响也是本研究的重点。

本研究的目的是探讨水氮耦合对碱蓬根区水盐环境及根系分布的影响，明确碱蓬在盐碱地中的最佳水氮管理策略，为盐碱地的改良和利用提供科学依据。

研究流程

本研究包括以下几个主要步骤：

1. 实验设计：实验于2022年4月至2023年9月在新疆喀什地区巴楚县现代农业产业园进行。实验设置了三个灌溉水平（W1、W2、W3，分别基于当地参考蒸散量ET0的0.35、0.50和0.65）和三个氮肥水平（N1、N2、N3，分别为150、250、350 kg·hm⁻²），采用完全组合设计。每个处理面积为50平方米，重复3次。

2. 观测项目：

   • 气象数据：使用Davis无线气象站记录作物生长期的关键气象数据，包括相对湿度、风速、风向、气压、最高和最低温度、降雨量等。
   • ET0计算：采用FAO-56 Penman-Monteith公式计算碱蓬生长期的参考蒸散量（ET0）。
   • 土壤水分和盐分：在灌溉前后采集土壤样品，测量土壤水分和盐分含量。
   • 土壤基质吸力：使用压力板提取器测量土壤基质吸力，并通过土壤水分特征曲线拟合。
   • 根系分布：在碱蓬开花期，采用诊断标本法分析根系分布，测量不同土层的根系干重和分布密度。
   • 生物量：收获后，随机采集碱蓬植株样品，分离种子、叶片、茎和根，测量干重。
   • 灰分含量：根据国家标准GB/T 6438-2007测量碱蓬不同器官的灰分含量。
   • 盐分吸收能力：通过公式计算碱蓬对盐分的吸收量。

3. 数据分析：使用SPSS软件进行方差分析，数据通过双向ANOVA处理，显著性水平为5%。图表使用Microsoft Excel 2016和Origin 2020软件制作。

主要结果

1. 水氮耦合对土壤基质吸力的影响：随着灌溉量的增加，土壤湿润区逐渐扩大，形状从“窄深型”转变为“宽浅型”。在W2灌溉水平下，土壤基质吸力在1485.60至1726.59 kPa之间，能够为碱蓬提供适宜的水分条件。

2. 水氮耦合对土壤盐分分布的影响：随着灌溉量的增加，土壤盐分含量逐渐降低。在W2灌溉水平下，土壤盐分含量最适合碱蓬的生长。

3. 水氮耦合对碱蓬根系分布的影响：随着灌溉量和氮肥施用量的增加，碱蓬根系的总重量密度从17.18×10⁻³ g·cm⁻³增加到27.91×10⁻³ g·cm⁻³，根系分布从“窄深型”转变为“宽浅型”。

4. 水氮耦合对碱蓬生物量和冠根比的影响：在W2灌溉水平下，碱蓬的生物量、灰分含量和盐分吸收量达到最大值。氮肥水平从N1增加到N3时，碱蓬的生物量和冠根比显著增加。

5. 水氮耦合对碱蓬盐分吸收能力的影响：在W2N2处理下，碱蓬的盐分吸收量最高，达到5536.96 kg·hm⁻²。

结论

本研究表明，在W2灌溉水平（0.50 ET0）和N2氮肥水平（250 kg·hm⁻²）下，碱蓬在盐碱地中的生长和盐分吸收能力达到最佳状态。这一结果为极端干旱地区碱蓬的滴灌栽培提供了科学依据，有助于盐碱地的改良和利用。

研究亮点

1. 重要发现：明确了水氮耦合对碱蓬根系分布和盐分吸收能力的影响，提出了最佳的水氮管理策略。
2. 方法创新：采用压力板提取器和土壤水分特征曲线拟合技术，精确测量了土壤基质吸力。
3. 研究对象特殊性：碱蓬作为一种耐盐植物，其在盐碱地中的根系分布和盐分吸收能力研究具有重要的应用价值。

其他有价值的内容

本研究还发现，碱蓬的根系分布不仅受土壤基质吸力的影响，还显著受土壤溶质势的影响。这一发现为进一步研究盐碱地植物的适应性机制提供了新的视角。