保护性耕作通过调节根系分布和土壤中磷的分层结构，提高了中国东北黑土地区的磷利用效率

《Soil and Tillage Research》：Conservation tillage enhances phosphorus use efficiency by regulating root distribution and soil phosphorus stratification in the black soil region of Northeast China

保护性耕作通过改善土壤结构及根系分布提升东北黑土区玉米磷利用效率，田间试验显示其较传统耕作使磷肥偏生产力提高15.3%和利用率25.3%，同时减少土壤磷分层现象，促进深层磷吸收。

　　

张杰|李亚林|李宝国|周虎

农业部和国家乡村振兴局华北耕地保护重点实验室，中国农业大学土地科学与技术学院，北京10093

摘要

在中国东北黑土地区，磷（P）的低移动性和生物有效性限制了肥料的利用效率。保护性耕作（CST）已被证明可以改善土壤结构和养分生物有效性，因此有潜力提高磷的利用效率。在本研究中，我们通过基于肥料的部分因子生产力（PFP-P）和基于吸收的利用效率（PUtE）来评估CST和传统耕作（CT）对磷利用效率的影响，并基于东北黑土地区三个代表性地点的田间试验，研究了玉米干物质、磷含量、根系垂直分布以及土壤物理化学性质的变化。与CT相比，CST显著提高了PFP-P（+15.3%）和PUtE（+25.3%），促进了籽粒干物质的积累，并增强了磷从营养器官向籽粒的转移。CST还降低了总磷（TP）和奥尔森磷（Olsen-P）在0–10 cm层与10–50 cm层之间的分层比例（分别降低了24.9%和49.5%，XL地点除外），从而减轻了表层磷的富集。CST还使平均根系生物量增加了28.5%，并显著提高了根系在20–30 cm层与0–50 cm层之间的分布比例（p < 0.05），表明土壤-根系配置得到了改善，有助于获取下层土壤中的磷。冗余分析表明，磷效率的变化主要与奥尔森磷的分层、根系分布模式（20–30 cm）、土壤穿透阻力（20–30 cm）和土壤有机质（SOM，0–10 cm）有关，这些因素共同解释了超过86.0%的变异。总体而言，CST通过协调根系-土壤-磷的相互作用，提高了玉米的磷利用效率，为东北黑土地区的可持续农业提供了科学见解和实践策略。

引言

磷（P）是植物生长和发育所必需的营养元素之一（Pradhan等人，2021年）。在传统农业系统中，磷的不可再生性质及其低效率利用使得满足日益增长的粮食生产需求变得越来越具有挑战性（Yan等人，2021年）。由于其低移动性、高固定能力和较差的土壤生物有效性，大部分磷肥料仍以不可利用的形式存在。据报道，只有不到1%的磷可以被作物吸收（Chen等人，2022a；Wang等人，2022年），因此提高磷的利用效率已成为可持续农业的核心挑战（Bhattacharyya等人，2015年；Crespo等人，2024年）。

保护性耕作（CST）在许多国家被广泛用于减缓土壤退化、提高资源利用效率和支持可持续农业发展（Achankeng和Cornelis，2023年；Blanco-Canqui和Ruis，2018年）。CST是一种农艺措施体系，包括减少或不进行耕作并保留作物残茬，这显著改变了土壤性质（Abdollahi等人，2017年）。随着实施年限的增加，CST被发现可以改善土壤结构稳定性，促进连通大孔隙的形成，从而增强水分渗透和根系穿透能力（Dal Ferro等人，2014年；Schlüter等人，2020年）。作为土壤质量的关键指标，孔隙结构在调节水分运动、气体交换和养分传输中起着至关重要的作用（Colombi等人，2017a；Ju等人，2024年；Pires等人，2017年）。此外，保留作物残茬显著减少了土壤侵蚀，提高了土壤有机质含量、微生物多样性和生物活性（Kumar等人，2012年；Seitz等人，2018年；Zheng等人，2022年）。改善的土壤大孔隙结构和根际生物活性有助于磷从表土层向下层土壤的迁移，提高了整个土壤剖面中根系对磷的吸收效率。

CST影响土壤中磷的垂直分布和动态。Yang等人（2023年）发现，与传统耕作（CT）相比，CST改善了土壤团聚体结构，降低了磷的吸附潜力并促进了解吸。Soltangheisi等人（2021年）报告称，作物残茬提高了土壤中磷的有效性，从而减少了肥料投入量（Gupta等人，2007年；Salas等人，2003年）。CST也与磷的分层有关。反复在表面施用肥料或有机物质可能导致磷在表土层积累（Bertol等人，2007年；Duiker和Beegle，2006年；Messiga等人，2012年；Rodrigues等人，2016年），这可能会通过地表径流和侵蚀增加溶解磷的损失（Abdi等人，2014年；Kleinman等人，2009年）。然而，通过增强磷向下层土壤的传输，CST有可能减少磷的分层（Barker等人，2025年）。

中国东北黑土地区（NEC）是一个重要的国家粮食生产区，面临着日益严重的土壤退化和养分管理不善问题。这种退化导致肥料施用量不断增加。然而，尽管肥料施用量很高，磷的吸收效率仍然很低（10%–25%），整体利用率不到50%（Yu等人，2022年；Yuan等人，2023年）。过量的磷投入和土壤侵蚀导致磷利用效率降低，非点源污染的环境风险增加（Han等人，2022年），这凸显了需要有效的、可持续的磷管理策略的迫切性。

在本研究中，我们旨在探讨CST对东北黑土地区磷利用效率的影响。我们提出了三个主要假设：（1）CST促进玉米根系向更深土层的延伸，从而增强对下层土壤中磷的吸收；（2）CST减少了磷的垂直分层，改善了根区中磷的空间可用性；（3）这些协同效应共同提高了磷的利用效率。为了验证这些假设，我们在东北黑土地区的三个代表性地点进行了田间试验，系统评估了土壤物理性质、根系结构以及磷的空间分布，以阐明它们对磷利用效率的综合影响。

研究地点

田间试验在东北黑土地区的三个地点进行，分别是Diaobingshan（DBS）、Lishu（LS）和Xinli（XL）。每个地点都有保护性耕作（CST）和传统耕作（CT）的田块，两个田块之间的距离小于500米。所有地点都采用连续种植玉米（Zea mays L.）的种植系统。本研究采用多地点配对田块对比设计。有关地点历史和土壤物理特性的详细信息请参见

磷利用效率和生物量积累

在营养生长期（V3–R2），茎和叶的生物量稳步增加，在灌浆期（R2）后趋于稳定（图1）。从生殖期开始，籽粒生物量迅速增加，并在成熟期成为主要成分，占总生物量的44.1%以上。

与CT相比，CST在R6期显著增加了籽粒干物质的积累，在DBS和LS地点观察到了显著差异（p < 0.05）。在早期生长阶段（V3和V6），茎和叶的生物量

CST对土壤磷分层的影响

土壤磷分层指数（PSI）是衡量土壤中磷垂直分布和表面富集程度的有用指标，对作物营养和环境风险都有重要意义。在本研究中，CST显著改变了土壤中的磷分层情况，不同地点之间存在明显差异。在DBS和LS地点，CST显著降低了TP和Olsen-P的PSI，表明表层磷的积累得到缓解，土壤中磷的垂直分布更加均匀。

结论

本研究评估了保护性耕作（CST）与传统耕作（CT）对东北黑土地区玉米生物量积累、磷（P）分配、根系垂直分布以及土壤物理化学性质的影响。总体而言，CST提高了玉米的磷利用效率，这一点通过基于肥料的部分因子生产力（PFP-P）和基于吸收的指标（PUtE；表S3）得到了证实，尽管这些指标的幅度

CRediT作者贡献声明

李亚林：验证、数据整理。张杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、概念化。周虎：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金获取、概念化。李宝国：资源协调、方法论设计、资金获取。

利益冲突声明

代表所有作者，我声明本手稿是原创作品，尚未在其他地方发表，也未被考虑用于其他地方的出版。作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。所有作者已阅读并批准了手稿的最终版本，并同意将其提交给《Soil & Tillage Research》。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFD1500701）和中国高校科研基金（2025RC036）的支持。