秸秆还田与氮肥协同增效对土壤质量及棉花产量的可持续提升机制研究

推荐：本研究针对秸秆还田与氮肥配施对土壤质量及棉花产量的联合效应(JFE)量化难题，通过7年田间试验揭示了N150(150 kg N ha?1 )处理下JFE-SQI(土壤质量指数联合效应)与JFE-Y(产量联合效应)的协同关系，首次提出氮驱动权衡效应，为长江流域棉麦轮作系统可持续管理提供理论依据。

　　

在全球气候变化与农业可持续发展背景下，长江流域棉田长期面临氮肥过量施用导致的土壤退化与产量波动问题。秸秆还田虽被证明能改善土壤结构，但其与氮肥的协同增效机制(Joint Fertilization Efficacy, JFE)缺乏定量评估，尤其对棉花这类兼具经济与生态价值的作物。针对这一科学空白，南京农业大学的研究团队在江苏大丰基地开展了为期7年的定位试验，研究成果发表于《Resources, Environment and Sustainability》。

研究采用裂区设计，设置秸秆还田(S)与移除(-S)为主区，4个氮水平(N0/N75/N150/N300)为副区。通过测定15项土壤指标构建土壤质量指数(SQI)，创新性提出JFE计算公式量化联合效应。关键方法包括：非线性标准化土壤指标评分、主成分分析(PCA)权重分配、方差分解分析(VPA)解析气候与土壤因子贡献，以及微生物量碳氮(MBC/MBN)和酶活性(脲酶、蛋白酶、蔗糖酶)的生化检测。

3.1 土壤指标与质量指数
秸秆还田使土壤容重(BD)降低0.03-0.08 g cm^?3
，有机碳(SOC)提升7-21%，N150处理下微生物量碳(MBC)达峰值501.43 mg kg^?1
。PCA显示SOC、TN(总氮)和酶活性对SQI贡献最大，最优SQI在200 kg N ha^?1
时实现。

3.2 产量及其稳定性
秸秆还田使种子棉产量提升4-8%，N150处理下可持续产量指数(SYI)最高(0.82)。产量与SQI呈对数关系(R²
=0.479)，表明土壤质量存在产量响应阈值。

3.3 联合效应动态
N150处理前5年JFE-SQI与JFE-Y均>10%(协同效应)，第6年起转为加和效应(-10%≤JFE≤10%)。高氮(N300)导致JFE-Y从第6年出现抵消效应(JFE<-10%)。

3.4 气候与土壤互作
方差分解显示土壤质量对产量解释度(45.3%)显著高于气候因子(17.1%)。低温(<20°C)与高降水(>800mm)抑制产量，而光合有效辐射(PAR)呈钟型响应。

讨论部分指出，秸秆还田通过"微生物碳泵"机制促进真菌残留碳积累(MBC:MBN>11)，而N150优化了碳氮循环酶活性。研究首次揭示氮驱动权衡：当JFE-SQI达中等水平(约160 kg N ha^?1
)时JFE-Y最大，过量氮肥会削弱联合效益。这一发现为制定"秸秆还田+减氮"精准管理策略提供了量化依据，对实现"双碳"目标下的棉花绿色生产具有重要实践价值。

该研究的创新性体现在：①建立JFE定量评估框架，②明确土壤质量改善的6年时效阈值，③解析气候-土壤-管理的多维互作。未来需关注秸秆碳氮比与极端气候的协同效应，以进一步提升模型的预测能力。