垄沟播种结合隔年深松耕作提升黄土高原土壤质量、生态系统多功能性与玉米产量的协同机制研究

本研究通过整合隔年深松（ST）与垄沟播种（RS）技术，系统性揭示了其对黄土高原旱作农业区土壤质量指数（SQI）、生态系统多功能性（EMF）及玉米产量的协同提升机制。研究发现ST+RS处理显著改善土壤物理结构、酶活性及微生物代谢限制，为应对气候变化下干旱区农业可持续性提供了关键策略。

　　

Highlight

作物产量与可持续性

耕作方式、播种模式及其交互作用在三个生长季中对作物产量和可持续产量指数（SYI）表现出差异化影响（图2）。具体而言，2024年耕作和播种的主效应均显著影响产量，而2022和2023年仅受耕作主效应影响，且未观察到显著交互作用。在双因素分析下，ST处理平均产量较CT显著提高15.2%，RS处理较FS提高9.8%。值得注意的是，ST+RS组合在三年中持续表现出最高产量，较CT+FS提升9.5–24.5%（P?

耕作与播种模式优化对土壤特性及SQI的提升

与假设一一致，ST+RS处理较CT+FS显著改善了土壤物理、化学、生物特性及养分化学计量比（表3、表4）。在表土和底土中，ST使土壤含水量（SWC）较CT系统提高2.4%和5.1%，而RS较FS系统分别提高14.2%和5.0%。整体上，ST+RS使SWC提升6.9–19.5%（表土）和4.9–28.0%（底土）。同时，ST+RS降低了土壤容重（SBD），改善了孔隙结构，并通过打破犁底层促进了水分下渗和根系延伸。此外，该组合显著提升了土壤有机碳（SOC）、铵态氮（NH₄⁺）和有效磷含量，并优化了碳氮磷 stoichiometry 平衡。基于主成分分析构建的SQI显示，ST+RS处理在表土和底土中分别较其他处理提升13.8–40.6%和17.0–49.7%，证实其跨土层土壤质量增益的协同效应。

结论

本研究机制性揭示了耕作-播种系统如何调控旱地农业生态系统的土壤健康与生态功能。相较于其他种植模式，ST+RS策略通过深松有效打破犁底层，显著降低土壤容重；同时，垄沟系统利用微地形集雨效应和土壤耕作技术增强土壤保水性，重塑微生物生存环境，显著提升养分循环效率和生态系统韧性。该研究为干旱区农业应对气候变化提供了理论依据和技术范式。