沟垄耕作：21年长期试验揭示残茬管理优化策略对墨西哥半干旱区玉米-小麦系统的增产增效机制

本刊推荐：通过21年定位试验，本研究证实保护性农业（CA）中永久垄床（PB）结合全量残茬保留可使玉米和小麦分别增产30%和13%，显著高于传统耕作（CB）。创新性发现沟垄（TR）技术可有效补偿残茬移除的负面效应——无残茬PB添加TR后玉米产量提升20%，而部分残茬移除（P）结合TR可实现与全量保留相当的产量。经济效益分析表明，残茬市场化背景下，PB系统通过部分残茬移除+TR可使净收入翻倍，为半干旱区水土保持与生计平衡提供优化方案。

　　

Abstract
土壤覆盖作物残茬可提升土壤健康和水资源利用效率，促进旱地生产，但残茬作为饲料需求旺盛。在墨西哥中部21年长期试验中，研究者比较了传统耕作垄床与不同残茬覆盖水平的永久垄床在小麦（Triticum aestivum L.）和玉米（Zea mays L.）上的产量及经济效益，并评估沟垄耕作能否抵消残茬移除的负面影响。

核心发现
永久垄床全残茬保留（PB-K-NT）的玉米和小麦产量分别达7.17 Mg ha^?1和4.27 Mg ha^?1，较传统耕作（CB-K-NT）增产2.1 Mg ha^?1（30%）和0.5 Mg ha^?1（13%）。全残茬保留比部分残茬保留（PB-P-NT）增产超10%，但部分残茬结合沟垄（PB-P-TR）可实现同等产量。无残茬永久垄床添加沟垄（PB-R-TR）后玉米增产20%。稳定性分析显示各处理无显著差异。经济效益上，全残茬保留净收入为传统耕作的6倍，而无残茬+沟垄处理的利润是全残茬保留的2倍。

Plain Language Summary
墨西哥农民多在雨养条件下种植玉米和小麦。为应对降水不稳定性，需提升水分入渗效率。研究表明：保留全残茬免耕（CA）虽能获得最高产，但通过移除部分残茬作为饲料销售，并采用沟垄蓄水技术可实现更优经济效益。

1 INTRODUCTION
全球半干旱区谷物生产依赖雨养、集约耕作和残茬放牧，面临土壤退化与水资源短缺加剧的挑战。保护性农业（CA）通过最小土壤扰动、永久土壤覆盖（残茬或活体作物）及作物多样化提升生产力。在墨西哥，永久垄床（PB）作为CA的本地化实践，兼顾农机适用性与水土保持。然而，农牧结合系统中残茬用作饲料或土壤覆盖的抉择制约CA推广。沟垄耕作通过垄沟间横向土埂形成集水区，可替代残茬的水分调控功能。本研究旨在评估残茬水平与沟垄对墨西哥中部旱作系统的影响。

2 MATERIALS AND METHODS
2.1 试验点
位于墨西哥特斯科科（19°31'N, 98°50'W，海拔2240 m），年均温15.6°C，年降水614 mm。土壤为黏壤质黑土（FAO Phaeozem），坡度<0.3%。

2.2 试验设计
1999-2019年设置雨养长期定位试验：

• 耕作方式：传统起垄（CB，深耕30 cm+2次圆盘耙） vs 永久垄床（PB，仅垄沟整形）
• 残茬管理：全保留（K）、全移除（R）、部分移除（P）——玉米移除果穗以上1/3茎秆，小麦移除联合收割机切割的2/3残茬
• 沟垄处理：无沟垄（NT） vs 人工挖设沟垄（TR）
• 作物管理：玉米-小麦轮作，玉米密度6-7.5万株 ha^?1，小麦播种量100-110 kg ha^?1，基于土壤检测施肥。

2.3 数据采集
测定籽粒产量（12%含水量校正）、生物量、蛋白质含量；2017-2019年经济分析纳入残茬销售收入（玉米残茬1800-2200 MXN t^?1，小麦800-1300 MXN t^?1）；2004年起评估根腐病（0-7级量表）；2019年土壤化学性质分析。

2.4 统计分析
采用R 4.3.1的线性混合模型，年份及其互作为随机效应，Tukey法多重比较（p<0.05）。产量稳定性通过回归斜率分析（Raun法）。

3 RESULTS
3.1 玉米产量

• 产量差异：PB-K-NT处理平均产量7.17 Mg ha^?1显著最高（表1）。PB-R-NT（无残茬无沟垄）减产30%，但添加TR（PB-R-TR）后产量恢复至6.15 Mg ha^?1。PB-P-TR（部分残茬+沟垄）与全残茬处理无统计差异。
• 生物量与品质：PB-K-NT生物量达16.42 Mg ha^?1，显著高于CB（12.84 Mg ha^?1）。高产处理蛋白质含量（9.6%-9.8%）低于低产处理（10.3%-10.6%）。
• 根腐病：残茬保留加重根腐病（图4），但未显著影响产量。

3.2 小麦产量

• 产量差异：PB-K-NT以4.27 Mg ha^?1居首（表2）。PB-R-NT减产34%，而PB-R-TR恢复至3.39 Mg ha^?1。PB-P-TR（3.96 Mg ha^?1）与全残茬处理无差异。
• 根腐病：残茬保留降低冠根和胚根腐烂，但增加分蘖根病害（图7）。

3.3 经济分析

• 残茬销售收入占比：玉米系统全移除（R）占52%，部分移除（P）占35%；小麦系统分别为35%和24%。
• 净收益对比（表3）：PB-R-TR（15,934 MXN ha^?1）> PB-P-TR（12,714）> PB-K-NT（7,987）> CB（1,247）。全残茬移除+沟垄的净利润是全残茬保留的2倍。

3.4 土壤参数
PB-K-NT土壤有机质（3.9%）、全氮（0.14 ppm）、有效磷（2.4 ppm）最高，但pH（5.6）和盐基离子低于CB（表4）。

4 DISCUSSION

• 残茬管理权衡：全残茬保留通过改善土壤结构、水分渗透（降低径流40%）及温度缓冲作用提升产量，但饲料需求驱动农民选择残茬移除。
• 沟垄的替代作用：TR通过拦截径流延长水分入渗时间，在无残茬条件下可恢复80%产量损失，其效果在少雨年更显著。机械化沟垄设备（如垄床整形器附件）可降低实施成本。
• 经济效益驱动：残茬市场价格波动显著影响系统最优选择。当玉米残茬价>1800 MXN t^?1时，PB-P-TR的经济优势超过PB-K-NT。
• 可持续性警示：长期残茬移除导致土壤有机质