中国北方旱地春玉米水分生产力与土壤肥力的定量关系及其驱动因素分析

为解决中国北方旱地农业中水资源短缺和土壤肥力低下制约春玉米生产的问题，研究人员整合844组长期和短期试验数据，运用随机森林和结构方程模型揭示了气候-土壤-管理因素对水分生产力(WP)与土壤肥力指数(SFI)定量关系(QRs)的影响机制。研究发现西北地区、干旱年份和NPK施肥条件下QRs最高(2.14-6.12 kg m-3 )，为旱区水资源高效利用提供了优化路径。该成果发表于《Agricultural Water Management》，对全球旱地农业可持续发展具有重要指导价值。

　　

在中国北方广袤的旱作农业区，春玉米作为主要粮食作物面临着双重挑战：年均降水量不足400毫米的水资源短缺，以及长期耕作导致的土壤肥力退化。更令人担忧的是，这片占全国耕地65%的区域仅拥有20%的水资源，却贡献着42%的粮食产量。传统研究多聚焦单一因素对作物产量的影响，而对土壤肥力与水分利用效率的协同机制认识不足，特别是缺乏定量化的关系模型。这种认知空白使得农民在有限水资源和土壤改良投入间难以取得平衡，严重制约着旱区农业的可持续发展。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的研究团队通过整合覆盖东北、华北和西北17个试验站点、跨度23-40年的844组数据，首次建立了土壤肥力指数(SFI)与春玉米水分生产力(WP)的定量关系模型。研究发现西北干旱区虽然土壤肥力最低(SFI=0.94)，却展现出最高的水分生产力(1.97 kg m^-3
)和定量关系值(2.14 kg m^-3
)，这一反直觉现象揭示了旱区作物对逆境适应的生物学机制。相关成果发表在农林科学顶级期刊《Agricultural Water Management》上，为全球旱区农业精准管理提供了理论依据。

研究团队采用四项关键技术方法：1)基于土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、速效氮(AN)和磷(AP)构建Nemerow土壤肥力指数(SFI)；2)运用边界函数法计算潜在水分生产力；3)采用随机森林(RF)和偏最小二乘结构方程模型(PLS-SEM)解析驱动因素；4)通过方差分解(VPA)量化气候-土壤-管理因素的交互效应。数据来源于四个国家级长期定位试验站(吉林公主岭、甘肃平凉等)和21篇文献的田间试验。

【区域差异规律】
通过比较东北(NE)、华北(NC)和西北(NW)三大产区发现，土壤肥力呈现NE(1.57)>NC(1.31)>NW(0.94)的梯度变化，而水分生产力(WP)和定量关系(QRs)却呈现完全相反的格局。西北干旱区尽管土壤肥力评级"差"，其QRs高达2.14 kg m^-3
，显著高于东北地区的0.97 kg m^-3
。边界函数分析显示，当SFI>0.26时，西北区潜在QRs可达6.2 kg m^-3
，提升空间达189.7%。

【年际变异特征】
按干旱指数划分降水年份显示，干旱年份的QRs(1.70 kg m^-3
)显著高于丰水年(1.18 kg m^-3
)。随机森林模型表明，干旱年份中施氮量(NA)成为最关键因素，解释13.2%的变异。结构方程路径分析揭示，干旱条件下气候因子通过抑制土壤性质间接提升QRs，这与传统认知中"旱地低产"的刻板印象形成鲜明对比。

【施肥调控效应】
七种施肥制度比较显示，纯化肥NPK处理的QRs(2.08 kg m^-3
)是有机无机配施NPKM(0.98 kg m^-3
)的2.1倍。值得注意的是，NPK处理的潜在QRs可达6.12 kg m^-3
，而NPKM处理因养分释放缓慢和可能存在的过量风险，其提升空间受限。方差分解证实，NPK处理中气候-土壤-管理三因素交互作用解释50%的变异，显著高于其他处理。

【驱动机制解析】
通过PLS-SEM模型揭示出三大作用路径：1)在西北区，气候因子(如年均温MAT)通过负向调控土壤性质间接提升QRs；2)干旱年份中管理措施(如覆膜)通过改变土壤水热状况增强QRs；3)NPK施肥通过快速供给矿质养分，其效果显著优于有机肥的缓效特性。这种"低肥力-高效率"的悖论现象，本质上是旱区作物长期适应水分胁迫形成的生理响应机制。

该研究首次构建了中国北方旱地"土壤肥力-水分生产力"定量关系框架，突破性地发现西北干旱区、干旱年份和NPK施肥构成最优组合。这一结论为旱区农业"以水定肥"管理提供了科学依据：在东北和西北地区可通过增加施氮量提升QRs，而华北地区则需优化种植模式。研究预测通过土壤改良可使春玉米水分生产力提升97.4%-241%，这对全球气候变化背景下旱区农业适应策略具有重要启示。

值得注意的是，该研究仍存在施肥时机、耕作方式和土壤生物因子等未解问题，这为后续研究指明了方向。正如作者在讨论部分强调的，未来需要建立多因子耦合模型，将土壤物理-化学-生物性质纳入统一评价体系，才能更全面解析旱地农业系统的水肥协同机制。这些发现不仅对中国"藏粮于地"战略实施具有指导价值，也为联合国可持续发展目标(SDGs)中的"零饥饿"和"清洁饮水"目标提供了技术路径。