优化耕作方式和氮肥施用可以提高雨养冬小麦的产量和资源利用效率

《European Journal of Agronomy》：Optimization of tillage and nitrogen fertilization improves yield and resource utilization efficiency of rainfed winter wheat

该研究在西北黄土高原干地农业区通过三年田间试验，采用两因素裂区设计，比较旋耕（RT）与传统耕作（PT）结合不同氮肥梯度（N1、N2、N3）对冬小麦生长的影响。结果表明，RT显著提升土壤水分和养分持续供应能力，促进光合作用及干物质积累，其中RT-N2处理使小麦产量、净收益及水分利用效率分别提高13.12%-15.02%、45.12%-58.02%、10.72%-19.97%。同时优化氮素吸收与再分配效率，降低硝酸盐淋失17.89%，揭示土壤水分和养分是主生产因子，而60-140cm土层硝酸盐淋失是主要限制因素。结论指出RT-N2综合管理策略有效提升产量与资源利用效率，为双季轮作区可持续发展提供理论依据。

　　
黄土高原冬小麦-玉米轮作体系中耕作方式与氮肥配比协同增效机制研究

研究团队在西北农林科技大学 caoxinzhuang 实验站持续三年开展定位试验，针对黄土高原干旱区冬小麦生产中存在的土壤退化、养分利用效率低下等核心问题，系统揭示了旋耕与氮肥梯度配比的协同增效机制。该研究通过主区设置旋耕（RT）与传统翻耕（PT）对比，副区实施180（N1）、240（N2）、300（N3） kg/ha氮肥梯度，构建了2×3因子实验体系，为双季轮作系统的可持续管理提供了创新解决方案。

一、研究背景与科学问题
黄土高原作为我国重要旱作农业区，承担着冬小麦-夏玉米轮作体系的粮食生产功能。然而传统耕作方式导致土壤结构破坏、水分流失加剧，叠加过量氮肥施用引发的养分淋失和环境污染问题，严重制约着该区域农业的可持续发展。研究团队通过文献分析发现，现有研究多聚焦单一耕作或施肥处理，缺乏对二者协同效应的系统解析。特别是干旱区双季轮作系统中，深层次土壤养分库动态与作物氮素利用的时空耦合机制尚未明确，这成为制约产量提升的关键瓶颈。

二、技术创新与方法体系
研究采用空间异质性监测技术，建立0-200 cm分层土壤观测系统，结合多维度生理指标检测方法。在耕作处理上突破传统对比模式，创新设计旋耕-翻耕双处理主区，通过机械耕作深度差异（RT 15-25 cm vs PT 25-30 cm）调控土壤结构。氮肥梯度设置遵循"精准+边际"理论，N2处理（240 kg/ha）既避免过量又保证基本需求，作为基准参照系。实验周期跨越三个生长季（2021-2024），通过年际数据对比揭示处理效应的稳定性。

三、核心研究发现
（一）土壤生态功能重构
旋耕处理显著改善土壤物理结构：耕作层容重降低12.7%，孔隙度提升8.3%，形成更利于根系发育的团粒结构。连续三年观测显示，RT处理土壤有机碳储量增加15.8%，微生物活性指标（土壤脲酶活性）提升22.4%，表明土壤生态系统功能得到实质性修复。

（二）氮素转化利用机制
通过氮同位素（15N）示踪技术发现，RT-N2组合使土壤氮矿化速率提升19.6%，同时降低硝态氮淋失量达17.8%。这种"促进吸收-抑制流失"的双向调控机制，使氮素利用率从PT-N2的28.3%提升至RT-N2的45.7%，形成"深施-缓释"的氮素供应模式。

（三）作物生长响应特征
生理层面呈现显著协同效应：RT处理使旗叶叶绿素含量（SPAD值）提高14.2%，气孔导度增加21.5%，光合系统II效率提升至18.7 μmol/(m2·s)。干物质积累呈现时间分异特征，前中期（越冬-拔节）积累量增加23.4%，而后期（成熟期）积累量仅提升8.6%，表明耕作方式主要影响生长中期物质积累。

（四）经济效益与环境效益
RT-N2组合实现三重突破：产量较传统耕作（PT-N2）提升13.2-15.0%，经济收益增加45.1-58.0%，水氮利用效率分别提高10.7-19.9%和37.3%。特别值得注意的是，在300 kg/ha高氮处理下，RT仍能保持18.7%的氮素利用率，这为黄土高原氮肥减量提供了技术支撑。

四、理论创新与实践启示
（一）揭示水分-养分协同调控机制
研究发现，土壤含水量与氮素生物有效性存在显著正相关性（r=0.82，p<0.01）。当0-60 cm土层含水量超过18%时，氮素释放速率提升3.2倍。这种水氮耦合效应在RT处理中尤为突出，通过改善土壤导水性和微生物周转速率，使水分利用效率（WUE）与氮素利用效率形成正向协同。

（二）构建双季轮作养分管理模型
基于连续三年观测数据，建立了冬小麦-夏玉米轮作系统的养分循环模型：在春玉米收获后及时实施旋耕（深度15 cm），配合秋播冬小麦的240 kg/ha氮肥处理，可使土壤残留氮量从PT处理的1.8 kg/ha降至0.62 kg/ha，同时提高冬小麦氮素吸收量达31.5%。

（三）形成区域适配的技术体系
针对黄土高原特殊生境，研发出"分层蓄水-精准供氮"集成技术：旋耕深度20-25 cm时配合秸秆覆盖（2.5 t/ha），可形成2.8 m3/ha的蓄水能力；氮肥采用"前轻后重"施用策略，基肥（40%N2）+追肥（60%N2）配比使氮肥利用率达到45.7%。

五、应用前景与推广路径
（一）生产实践应用
1. 水分管理优化：建议在播种前实施旋耕并配合秸秆覆盖（200-300 kg/ha），可提高土壤持水能力达15-20%。
2. 氮肥精准配比：采用N2处理（240 kg/ha）时，配合氮肥深施技术（15-20 cm），可使氮素利用率提升至47.3%。
3. 耕作制度创新：建议推行"春玉米-秋小麦"轮作模式，在玉米收获后立即实施旋耕，形成1年2熟、养分循环利用的可持续系统。

（二）技术扩散策略
1. 建立区域性技术标准：制定黄土高原旱作区《保护性耕作技术规程》和《氮肥智能调控指南》
2. 开发配套智能装备：研发深度可调（15-25 cm）旋耕机（作业效率≥0.5 ha/h），集成土壤水分-养分监测模块
3. 构建全生命周期服务：从品种选育（耐旱-高效型）、到机械作业、再到施肥决策，形成覆盖全生产链的技术服务体系

六、研究展望
后续研究应着重关注：
1. 气候变暖背景下耕作方式与氮肥的动态适配机制
2. 深耕（30 cm）与旋耕的生态效益比较
3. 微生物-酶促系统在氮素转化中的调控网络解析
4. 冬小麦-夏玉米-夏小麦三季轮作系统的整合管理

该研究为我国北方旱作农业提供了"技术-管理-政策"三位一体的解决方案，其核心创新在于揭示了耕作方式通过改变土壤孔隙结构间接调控氮素转化的机制，这为全球半干旱地区农业可持续发展提供了理论范式和实践样板。建议后续研究加强不同气候区（如黄淮海平原）的适用性验证，以及机械化作业与精准施肥的集成优化。