深松耕作与微垄沟播种协同提升旱区春玉米产量及水分生产力的机制研究

《Agricultural Water Management》：Integrated application of subsoiling tillage and micro-ridge-furrow planting enhances maize yield, water productivity and economic benefit in drought-prone regions

本研究针对半湿润易旱区春玉米生产面临的水分胁迫问题，通过两年田间试验，系统探究了深松耕作(ST)与集雨微垄沟播种(RS)集成技术对土壤水热状况、根系生长、作物产量及水氮利用效率的协同效应。结果表明，ST+RS处理显著提高了0-200 cm土壤贮水量，促进了浅中层根系发育，进而增加叶面积指数(LAI)、叶绿素含量(SPAD)和干物质积累，最终使籽粒产量(GY)提高7-24%，水分利用效率(WPc)提升8-26%，氮素吸收效率(UPEN)提高13-38%。该研究为旱作农业水资源高效利用提供了重要的理论依据和技术途径。

　　

在中国西北黄土高原这样的半湿润易旱区，春玉米生产长期受到水资源短缺的严重制约。该地区虽然光照充足，但年平均降水量仅约380毫米，且季节分布极不均匀，年潜在蒸发量却超过1500毫米，导致作物关键需水期频繁遭遇水分胁迫，严重限制了粮食生产潜力的发挥。面对这一挑战，如何提高土壤蓄水保墒能力，成为推动旱作农业可持续发展的关键所在。

传统上，深松耕作(ST)和垄沟播种(RS)是两种被广泛验证的有效技术。ST能够打破连续多年形成的坚硬犁底层，显著增加土壤孔隙度和入渗能力，创造"地下水库"；而RS则通过创建微型垄沟系统，将超过85%的降雨有效收集到作物根区，减少地表径流和非目标蒸发。理论上，这两种技术具有很好的互补性：RS高效收集的地表雨水为ST创造的深层水库提供了更丰富的水源，而ST优化的深层土壤结构则为RS集中的雨水提供了更大的入渗通道和储存空间。然而，这两种技术如何协同影响土壤水热动态、根冠发育及水氮利用效率，特别是其"根-水耦合机制"尚不明确。

为了回答这些问题，研究人员在2022-2023年进行了田间试验，比较了常规耕作(CT)与ST两种耕作方式，以及平作(FS)与RS两种播种方式组合的四种处理：CT+FS、CT+RS、ST+FS和ST+RS。研究团队系统监测了土壤温度、土壤水分含量、土壤贮水量(SWS)、作物蒸散量(ET_c)，并在关键生育期测定了根系形态指标（根长密度RLD、根表面积密度RSD、根干重密度RDD）、植株形态生理指标（株高PH、茎粗SD、叶面积指数LAI、SPAD值）以及产量构成因素，并计算了水分利用效率(WP_c)和氮素利用效率相关参数。

3.1. 空气和土壤温度

研究发现，ST+RS处理在V6-R6生育期内降低了0-20 cm土层土壤温度，尤其在灌浆期高温胁迫下表现出降温效应，比对照处理低1-4°C。这种降温效应主要归因于RS引起的沟内水分增加所带来的热缓冲效应，以及垄沟结构产生的遮荫作用。

3.2. 土壤水分状况

ST+RS处理显著提高了0-200 cm土层的土壤水分含量，特别是在R1-R3阶段，土壤贮水量比CT+FS处理增加4-10%。这种水分改善效应主要源于ST增强的深层土壤蓄水能力和RS优化的地表雨水收集效率的协同作用。

3.3. 春玉米根系特性

ST+RS处理显著促进了根系在浅层(0-20 cm)和中层(20-60 cm)的分布，根长密度(RLD)、根表面积密度(RSD)和根干重密度(RDD)分别比CT+FS处理提高33-77%、13-68%和5-23%。这种根系分布优化有利于作物更高效地利用土壤水分和养分。

3.4. 植株生长

ST+RS处理显著改善了春玉米的株高、茎粗、叶面积指数和叶绿素含量，尤其在生殖生长阶段表现突出。这种生长优势为高产奠定了良好的物质基础。

3.5. 籽粒产量、产量构成及收获指数

两年试验结果表明，ST+RS处理使春玉米籽粒产量提高7-24%，每穗粒数增加2-6%，百粒重提高3-10%。产量提升主要归因于优化的根区水热环境促进了作物光合生产和干物质积累。

3.6. 水分利用效率、氮素吸收效率等指标

ST+RS处理使水分利用效率(WP_c)提高8-26%，氮素吸收效率(UPE_N)提升13-38%，氮肥偏生产力(PFP_N)增加7-24%。这表明该技术模式在提高产量的同时，实现了资源的高效利用。

研究还通过Mantel检验分析了作物产量与各因素的相关性，发现根表面积密度(RSD)与籽粒产量呈显著正相关，证实了根系优化对产量形成的重要作用。

该研究的结论部分强调，深松耕作与微垄沟播种的集成技术通过协同优化"土壤水库"效应和根区水热环境，有效缓解了旱区春玉米生产的水分限制。ST主要增强了深层土壤的蓄水能力，而RS则改善了地表雨水的收集效率，两者结合形成了互补优势。这种技术模式不仅提高了作物产量和资源利用效率，还通过改善根系构型和水氮吸收能力，增强了作物对干旱胁迫的适应性。研究揭示的根-水耦合机制为理解旱作农业中作物与环境互作提供了新视角。

发表在《Agricultural Water Management》的这项研究，为半湿润易旱区及类似气候条件下的旱作农业提供了一种可行的可持续发展模式。尽管在推广应用中面临机械投入成本较高等挑战，但通过政策支持、社会化服务等配套措施，该技术有望在年降水量400-600毫米的旱作区大规模应用，为保障粮食安全和农业水资源可持续利用做出重要贡献。未来的研究应关注该技术在不同降水年型下的稳定性，并深入探究其生理生态机制，以进一步优化技术参数，扩大应用范围。