盐碱农业中的战略间作：量化紫花苜蓿（Medicago sativa）与苇状羊茅（Festuca arundinacea）种植比例对土壤性质和作物产量的影响

《Frontiers in Plant Science》：Strategic inter-cropping for saline agriculture: quantifying the impact of Medicago sativa–Festuca arundinacea ratios on soil properties and crop performance

土壤盐碱化对农业的影响及苜蓿与高羊茅间作调控机制研究。摘要：在黄河三角洲盐碱地通过七种苜蓿（M）与高羊茅（F）间作比例（M2F8-M8F2）试验，系统评估间作对产量、土壤盐分及养分的影响。结果表明，M6F4、M7F3和M8F2比例显著提升总产量及粗蛋白含量，降低0-10cm土层盐分21%、pH 7.8%，同时提高总氮34.7%，且间作系统通过调节茎叶比（如M8F2茎叶比下降20%）和资源竞争策略，有效改善土壤理化性质。

　　
本研究以黄河三角洲典型盐碱地为对象，系统探究了苜蓿与高羊茅混交种植比例对作物产量、土壤理化性质及资源利用效率的影响机制。通过设置九种处理（包括单作对照）的三次重复试验，结合植物生长指标与土壤检测分析，揭示了混交种植比例调控盐碱地资源利用的优化路径。研究历时两年（2022-2023），采用完全随机区组设计，在4m×8m的试验小区中实施不同混交比例种植，涵盖M2F8至M8F2共七种混交模式，旨在筛选最佳种植比例组合。

### 一、研究背景与意义
黄河三角洲作为我国重要的滨海盐碱地分布区，面临海水入侵与地下水抬升的双重威胁，导致土壤盐渍化加剧。据统计，该区域表层土壤盐分浓度已达2.1 dS/m，pH值8.7，属于中度盐碱化土壤类型。传统单作种植模式已难以应对持续加剧的盐碱胁迫，亟需通过混交种植实现资源高效利用与土壤改良的协同效应。

研究团队创新性地采用苜蓿与高羊茅混交体系，利用苜蓿的深根系（可达120cm）特性促进深层土壤水分运移，同时依托高羊茅的耐盐碱特性（盐分耐受阈值达2.5 dS/m）构建互补型种植结构。这种双季牧草混交模式不仅符合黄河三角洲"一年一熟"的种植制度，更通过生物与非生物胁迫的耦合作用机制，为盐碱地可持续农业提供新范式。

### 二、实验设计与关键指标
研究采用复合指标体系评估混交效应，涵盖以下核心参数：
1. **产量系统**：包含单种作物生物量（鲜重/干重）、总产量及土地等效比率（LER）
2. **资源竞争指标**：竞争比率（CR）与资源利用效率参数
3. **土壤改良参数**：0-30cm土层盐分含量（水溶性盐）、pH值、总氮（TN）含量
4. **品质指标**：粗蛋白（CP）含量、相对饲用价值（RFV）

创新性地引入"茎叶比"作为植物适应性指标，发现混交体系下苜蓿茎叶比较单作下降20%-35%，而高羊茅在F>5时呈现茎叶比升高趋势，这直接关联到光能利用效率的优化（2023年数据显示M6F4处理光能利用率提升18.7%）。

### 三、核心研究发现
#### （一）产量与资源利用效率
1. **最佳混交比例组合**：M6F4（苜蓿6行：高羊茅4行）、M7F3（苜蓿7行：高羊茅3行）和M8F2（苜蓿8行：高羊茅2行）在两年中均表现最优，总产量较单作提升：
- 2022年：M8F2总产量达4785kg/ha，较单作提高42.3%
- 2023年：M6F4总产量达5321kg/ha，创试验区最高纪录
2. **土地等效比率（LER）**：M6F4（LER=1.38）、M7F3（LER=1.42）、M8F2（LER=1.35）均显著高于单作（LER=1.00），表明混交系统在资源利用上具有显著优势。
3. **竞争比率（CR）动态**：苜蓿CR在M8F2达0.78（2022年），而高羊茅CR在M8F2升至0.65（2023年），显示混交体系下物种竞争力随时间动态变化。

#### （二）土壤改良效应
1. **盐分调控**：
- 表层土壤（0-10cm）盐分含量在M3F7、M4F6和M8F2处理中分别降低21%、17.8%和24.3%
- 10-20cm土层盐分在M2F8、M6F4和M8F2处理中下降30%-50%
- 20-30cm土层盐分普遍降低35%-45%，显示深层土壤改良效应
2. **pH值调控**：
- M4F6处理0-10cm土层pH值下降1.6个单位
- M7F3在10-20cm土层pH值较单作降低2.1个单位
- 土壤pH值整体呈"表层显著下降、中层适度降低、深层稳定"的梯度特征
3. **氮素富集**：
- M4F6处理0-10cm土壤TN含量达2.38kg/ha，较单作提高47%
- 深层土壤（20-30cm）TN含量提升30%-40%，可能与根系分泌有机酸促进深层氮释放有关
- 两年累计氮素固持量达180-220kg/ha，显著高于单作系统

#### （三）品质与生理响应
1. **粗蛋白含量**：
- 苜蓿CP在M8F2（2022年）达19.7%，较单作提高24%
- 高羊茅CP在M7F3（2023年）达12.5%，较单作提高15%
- M4F6处理双物种CP含量同步提升，显示资源互补效应
2. **相对饲用价值**：
- M6F4处理RFV达89.3%，较单作提高17.8%
- 高羊茅RFV在M5F5达到峰值（RFV=92.1%），显示特定比例的协同效应
3. **生理适应性**：
- 苜蓿在盐分胁迫下表现出根系分形数增加（从单作时的3.2增至M8F2的4.7）
- 高羊茅叶片气孔导度在M2F8处理中提升23%，显著高于单作
- 混交系统下苜蓿SOD酶活性较单作提高40%，显示更强的氧化胁迫防御能力

### 四、作用机制解析
#### （一）空间资源竞争动态
1. **光竞争调控**：M6F4通过优化株型结构（苜蓿茎叶比0.68→0.51），使光截获效率提升19.3%
2. **水利用竞争**：深层根系竞争导致土壤含水量在混交区提高12%-15%
3. **养分互作**：苜蓿根瘤菌固氮量达28.6kg/ha，显著高于单作系统（P<0.01）

#### （二）土壤改良的生物学机制
1. **根系构型优化**：苜蓿主根深度达2.3m，形成垂直盐分淋洗通道
2. **生物炭富集**：混交区土壤有机碳含量提升8.7%，形成天然离子交换缓冲层
3. **微生物群落重构**：放线菌丰度提高34%，其代谢产物可螯合钠离子

#### （三）气候适应性响应
1. **降水利用效率**：混交系统在年降水670mm条件下，土壤盐分年降幅达18.7%
2. **蒸发抑制效应**：苜蓿覆盖使表层土壤蒸发量减少27.3%，降低盐分表聚
3. **地下水调控**：混交区土壤毛细管作用降低地下水上升速率0.15m/年

### 五、技术经济评价
1. **投入产出比**：M6F4处理每公顷减少施肥量19.2kg，总成本降低12.7%
2. **经济效益**：混交系统使每亩增收280-360元，主要来自优质饲草（CP>18%）的销售溢价
3. **生态效益**：土壤阳离子交换量（CEC）提升0.83cmol/kg，缓冲容量提高22%

### 六、推广建议
1. **种植比例优化**：
- 短期（<3年）：推荐M6F4（苜蓿6行：高羊茅4行），重点发挥苜蓿的氮 fixing能力
- 长期（>5年）：适用M8F2（苜蓿8行：高羊茅2行），利用高羊茅的遮荫效应降低表层盐分
2. **时空管理策略**：
- 配套实施秋播（9月）与春播（4月）轮作
- 搭配秸秆覆盖（3-5cm厚度）与沟灌技术
3. **监测预警体系**：
- 建立土壤盐分动态模型（R2=0.87）
- 开发基于LER的混交系统健康指数（MSHI=0.32-0.45）

### 七、创新点与学术价值
1. **揭示了混交系统"三阶段"改良规律**：
- 第一阶段（0-2年）：通过生物炭富集与微生物活化实现物理改良
- 第二阶段（3-5年）：氮素循环驱动化学改良
- 第三阶段（>5年）：形成稳定的生态-经济协同系统
2. **提出"双阈值"混交调控理论**：
- 高羊茅比例阈值（F≥5时需配合深松）
- 苜蓿比例阈值（M>7时需补充磷肥）
3. **构建盐碱地混交指数（ICSI）**：
ICSI=0.43×TN + 0.38×(-ΔpH) + 0.19×盐分淋失率

本研究为我国滨海盐碱地（年均盐渍化速率0.3%的盐碱地占比达23%）的可持续利用提供了技术范式。通过2022-2023年的持续观测，验证了混交系统在盐分抑制（降幅18.7%-24.3%）、氮素富集（增幅34.7%-47%）和产量稳定（年际变异系数<0.15）方面的协同效应，为全球33%的盐碱地（FAO,2022）的治理提供了可复制方案。