有机肥源调控黄土高原旱地冬小麦土壤质量与生产力协同关系的研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Organic fertilizer source regulates soil quality–production coordination in dryland winter wheat on the Loess Plateau

　　

在雨养旱地农业系统中，作物产量形成及其稳定性受降水的时空分布和土壤水氮供应能力的共同制约。在黄土高原冬小麦产区，生育期降水年际变异大，土壤蓄水保肥能力有限，常导致关键生育阶段水氮供应与作物需求在时间和空间上的错位，从而限制了农田生产力的稳定性。因此，旱地冬小麦的养分管理不仅要关注氮素输入效率的提高，更重要的是通过调控土壤水氮环境来增强资源供应与作物需求的匹配程度，从而提高雨养农田系统对降水变异的适应能力。以有机肥部分替代化学氮肥是改善旱地土壤物理结构、提高土壤养分库容的有效途径。已有研究表明，有机肥投入可增加土壤有机质和全氮含量，促进团聚体形成，改善土壤孔隙度和持水能力，在一定程度上缓解水分胁迫对作物生长的不利影响。然而，现有研究多聚焦于有机替代比例及其对产量或土壤性质的影响，而对于在等氮投入条件下，不同有机肥源是否产生等效的土壤调控效应和作物生产响应，尚缺乏充分认识。事实上，在等氮条件下，传统畜禽粪肥和商品有机肥未必产生相同效果。两者在原料组成、腐熟程度、有机碳质量、分解速率和养分释放模式上的差异，可能导致它们通过不同途径影响土壤持水性、硝态氮运移与分布、根区微环境以及作物的水氮获取。这些差异可能进一步影响根系在土层中的分布格局以及对土壤水氮资源的获取能力，进而改变产量形成和水分利用过程。因此，不能将不同有机肥源简单地视为功能等同的“有机氮输入”，而需要在等氮条件下区分其对土壤—作物系统的差异化效应。尤其是在雨养冬小麦系统中，有机肥源的效果可能随降水年型而变化。然而，目前尚缺乏在长期等氮条件下同时比较粪肥和商品有机肥对土壤水氮分布、根系分布及产量对降水变异的响应的机制性证据。降水条件可能通过改变作物生长和资源获取的主导限制因子，进一步调节不同有机肥源对土壤—作物系统的影响。在干旱年份，土壤水分亏缺可能是作物生长的首要限制因素。在水分子受限条件下，有机肥改善土壤结构和持水性的效应会被放大。改善后的土壤结构（表现为更高的团聚体稳定性和持水能力）可降低根系生长阻力，促进根系向深层土壤延伸，增强作物对深层土壤水氮资源的利用。在水分充足条件下，较多的降水和较大的土壤水流通量驱动剖面硝态氮向下迁移。同时，不同有机肥源在原料组成、腐熟程度、碳氮比、分解速率和养分释放模式上的差异，可能导致氮素释放速率和时间的差异。这些差异可能导致硝态氮在整个土壤剖面上呈现肥源特异性的分布格局，并可能进一步影响作物在关键生育阶段获取氮素的能力。因此，不同有机肥源对产量、水分利用效率和经济效益的影响可能因降水条件而异。然而，土壤理化性质的改善并不一定直接转化为产量、水分利用效率或经济效益的同步提升。这种转化能否实现，取决于降水供应、养分释放时机以及根系资源获取与作物需求之间的匹配程度。因此，关键科学问题不仅是有机替代能否改善土壤质量，更在于由肥源引起的土壤水分有效性和氮素供应的差异，能否通过根系垂直分布及其在资源获取中的潜在作用转化为稳定的产量和经济效益，以及这种转化是否受降水年型的调控。回答这一问题需要同时对整体土壤质量、生产效益以及两者之间的协调性进行评估。土壤质量指数（SQI）可整合多项土壤理化指标，表征管理措施对整体土壤功能的影响。耦合协调度模型（CCDM）可进一步量化土壤质量系统与生产效益系统之间的协同程度。通过结合SQI、CCDM和结构方程模型（SEM），可以识别降水条件和施肥源影响土壤—作物系统的直接和间接路径，从而揭示土壤质量的改善是否以及如何转化为稳定的产量和经济效益。基于此，本研究依托2017年在黄土高原建立的长期旱地冬小麦田间试验，在前期确定的优化施氮量的基础上，利用2021至2025年连续四个生长季的观测数据，设置不施氮、单施化学氮肥、粪肥部分替代化学氮肥和商品有机肥部分替代化学氮肥四个处理，在等氮条件下，旨在阐明不同有机肥源对旱地麦田土壤水氮环境、根系分布、产量形成、水分利用效率和经济效益的调控效应，并通过整合SQI、CCDM和SEM分析土壤质量改善与生产效益变化之间的潜在联系。研究人员提出以下假设：（1）在等氮条件下，粪肥和商品有机肥对土壤水氮状况和根系分布的影响存在差异；（2）不同有机肥源对产量和经济效益的影响主要通过改变土壤结构、根系空间分布和剖面硝态氮分布来实现；（3）与商品有机肥替代和单施化学氮肥相比，粪肥替代更有利于在干旱年份维持产量和土壤质量—生产效益的协调性。与以往主要关注有机替代比例或平均产量效应的研究不同，本研究在等氮投入和对比性降水年型条件下，比较了粪肥和商品有机肥对土壤水氮环境、根系垂直分布、生产性能以及土壤质量—生产效益协调性的差异化效应，旨在揭示有机肥源特性调控土壤质量改善向生产效益转化的潜在路径，为黄土高原雨养冬小麦生产的降水响应型氮素管理提供依据。

有机肥源调控黄土高原旱地冬小麦土壤质量与生产力协同关系的机制研究

一、研究背景与科学问题

在黄土高原雨养旱地农业区，冬小麦产量形成及其稳定性严重受限于降水的年际波动和土壤贫瘠的水氮保蓄能力。由于降水分布不均，土壤水氮供应与作物关键生育期的需求常常发生时空错位，导致农田生产力稳定性差。传统的单一施用化学氮肥虽能在短期内提升产量，但长期来看易导致土壤板结、有机质下降和硝态氮淋溶等问题。有机肥部分替代化学氮肥被广泛认为是改善土壤结构、提升土壤有机质和养分库容的有效手段。然而，现有研究多集中于替代比例或平均产量效应，对于在等总氮投入条件下，不同有机肥源（如传统畜禽粪肥与商品有机肥）是否产生等效的土壤调控和作物响应，尚缺乏深入认识。不同有机肥源在原料组成、腐熟程度、有机碳质量、分解速率和养分释放模式上的差异，可能导致其对土壤持水性、硝态氮运移、根区微环境和作物水氮获取产生不同的影响。此外，降水年型的变化可能进一步调控这些效应的方向和强度。因此，关键科学问题是：不同有机肥源引起的土壤水氮供应差异，能否通过根系垂直分布的调整转化为稳定的产量和经济效益，以及这种转化如何受降水条件的调控？回答这一问题需要综合评估土壤质量、生产效益以及二者间的协同关系。

二、研究方法概述

该研究依托2017年在黄土高原陕西省合阳县西北农林科技大学试验站建立的长期定位试验，利用2021-2025年四个连续生长季的数据。试验设四个处理：不施氮（N0）、单施化学氮肥（CN）、25%粪肥替代化学氮（MN）和25%商品有机肥替代化学氮（ON），所有施氮处理总氮量均为180 kg N ha^-1。采用随机完全区组设计，三次重复。研究人员通过田间取样测定土壤理化性质（包括土壤容重、孔隙度、团聚体稳定性指标如平均重量直径MWD、几何平均直径GMD和分形维数FD、有机质SOM、全氮STN、pH）、土壤水分动态（0-200 cm剖面）、硝态氮积累量、根系性状（根长密度RLD、根重密度RWD、比根长SRL，取样深度0-100 cm）、籽粒产量及经济效益（净收入NI和益本比BCR）。基于主成分分析（PCA）构建土壤质量指数（SQI），运用耦合协调度模型（CCDM）量化土壤质量系统与生产效益系统间的协调发展水平，并结合结构方程模型（SEM）和Mantel检验揭示降水条件与施肥管理调控土壤-作物系统的直接和间接路径。降水年型根据1999-2025年的年降水量计算干旱指数（DI）进行划分，其中2021-2022和2023-2024为湿润年，2022-2023为正常年，2024-2025为干旱年。

三、主要研究结果

3.1 籽粒产量与经济效益

年份和氮处理对产量、净收入和益本比均有极显著主效应，且交互作用显著。总体而言，干旱年产量和经济收益显著低于正常年和湿润年。施氮处理较N0增产44.01%-82.99%。在干旱年，MN和ON的产量、净收入和益本比均显著高于CN，分别增加10.32%、32.19%和10.68%。在湿润年和正常年，三个施氮处理间差异不显著。在所有降水年型下，MN均表现出最高的产量和经济收益，且在干旱年稳产效果最为突出。

3.2 土壤理化性质

施氮显著影响了0-60 cm土层的土壤理化性质。在土壤结构方面，MN表现最优，具有较高的平均重量直径（MWD）、水稳性大团聚体含量（R）和土壤孔隙度（SP），而N0的容重（SBD）和分形维数（FD）最高。与CN相比，MN使MWD和R分别提高0.71%和0.58%，而ON则使其分别降低2.00%和1.59%。有机替代提升了表层土壤肥力：在0-20 cm土层，MN和ON的有机质（SOM）较CN分别提高20.27%和17.17%，全氮（STN）分别提高17.57%和16.61%。在整个0-60 cm剖面，MN的改土效果最强，SOM和STN较CN分别提高21.55%和19.22%。

3.3 土壤水分动态

降水年型和施氮处理对蒸散量（ET）、水分利用效率（WUE）和降水利用效率（PUE）影响极显著，但二者的交互作用仅对WUE显著。ET总体表现为正常年>湿润年>干旱年。在干旱年，MN的WUE较CN提高3.04%，而ON降低3.25%；PUE在MN和ON下分别提高5.28%和4.25%。有机替代改善了0-200 cm剖面的垂直水分分布，在干旱年，MN和ON在130-200 cm深层保持了更高的土壤含水量，增强了干旱条件下的供水能力。

3.4 土壤硝态氮积累

降水年型和施氮处理显著影响0-200 cm土壤硝态氮积累量（SNA_0-200），且交互作用极显著。硝态氮积累量随降水增多而增加，顺序为湿润年>正常年>干旱年。虽然三个施氮处理间的SNA_0-200无显著差异，但CN的总积累量相对较高。与CN相比，MN使0-100 cm和100-200 cm土层的硝态氮积累分别降低3.96%和6.62%，而ON使0-100 cm增加1.69%，100-200 cm降低5.99%。总体而言，MN和ON均比CN更有效地减少了土壤剖面中的硝态氮总储量。

3.5 根系性状

降水年型和施氮处理显著影响根系性状。根长密度（RLD）和根重密度（RWD）呈单峰变化，在开花期达到峰值后灌浆期下降。干旱抑制了RLD和RWD的增长。施氮较N0显著提高了RLD和RWD，平均增幅分别为28.17%和43.16%。有机替代处理的RLD和RWD普遍高于CN，但差异未达显著水平。比根长（SRL）表现出相反趋势，干旱年SRL较湿润年和正常年低53.63%。

3.6 土壤质量指数（SQI）

主成分分析表明，SOM、STN和SP在第一主成分上有强正载荷，SBD有强负载荷，它们是评价土壤质量的关键指标。SQI总体顺序为MN > ON > CN > N0。与N0相比，CN、MN和ON的SQI分别提高49.92%、73.46%和63.79%。在干旱条件下，有机替代的改土效应更为突出：MN和ON的SQI分别较CN高18.09%和14.66%。

3.7 土壤质量与生产效益的耦合协调度

降水年型和施氮处理对土壤肥力综合评价指数F(x)、生产效益综合评价指数G(y)、耦合度C、综合调和指数T和耦合协调度D均有极显著影响。除干旱年的N0外，所有施氮处理的D值均超过0.5，表明系统处于较高水平的协调状态。与CN相比，MN和ON的综合调和指数T分别提高11.98%和8.92%。有机替代改善了系统耦合协调度，增强了旱地农田生态系统对降水变异的适应性。

3.8 结构方程模型与相关性分析

结构方程模型（SEM）显示，降水条件对土壤性质有直接负效应，但也通过促进根系发育产生间接正效应；而施氮主要通过改善土壤理化性质和优化根系性状间接提升生产性能。相关性分析和Mantel检验证实，SQI和产量与土壤含水量、硝态氮、SOM、STN和SP显著正相关，与SBD显著负相关。在MN处理下，耦合模式更为有利，产量与MWD、GMD和R显著负相关，而与FD、SQI、D、NI和BCR显著正相关，表明该处理通过同步土壤结构与功能的改善提高了生产效率。

四、讨论与结论

4.1 讨论要点

讨论部分指出，有机替代对产量的提升并非仅取决于总氮输入量，还与肥源特性、替代比例和降水年型密切相关。在等氮条件下，粪肥替代（MN）的增产效果优于商品有机肥替代（ON），这可能与粪肥提供的养分释放持续性更好、根区环境更稳定有关。从经济角度看，MN的净收益和产出投入比高于ON，这与粪肥的单位成本较低及其对土壤水肥条件的改善作用有关。在干旱年，MN仍能维持较高的产量和经济效益，表明粪肥替代有助于减少水分胁迫下的生产损失。

在土壤改良方面，MN在增加SOM、STN、改善孔隙结构和提高持水能力方面的效果优于ON。MN提高了130-200 cm深层的土壤储水量，同时降低了100-200 cm的硝态氮积累，这可能与其较高的根长密度促进了上层硝态氮的吸收有关。然而，土壤结构的改善并未必然同步提升水分利用效率，这取决于作物生长需求、养分释放模式和降水供应的同步性。

通过SQI和CCDM的分析，有机替代的核心优势在于提升了土壤质量、生产效益以及系统对降水变异的协调响应能力。MN在维持土壤质量、增强系统协调性和减缓干旱年生产效益下降方面表现最佳。

4.2 研究结论

这项在黄土高原进行的长期雨养冬小麦田间试验表明，在对比性降水条件下，粪肥和商品有机肥替代对作物生产力、土壤理化性质、根系发育（0-100 cm土层）以及土壤-作物协调性的影响存在差异。年降水量和氮素管理均显著影响了该旱地系统中土壤质量与生产效益之间的耦合协调关系。在所测试的策略中，粪肥替代在改善土壤质量、优化水氮分布和促进根系发育方面总体上优于单施化肥和商品有机肥替代。土壤质量指数和耦合协调度分析进一步表明，粪肥替代改善了土壤-作物系统的协调性，支持了土壤肥力、产量稳定性和经济效益的同步提升。该处理在干旱胁迫下也表现出更强的稳定性，而商品有机肥替代在不同降水条件下的表现一致性较差。在本研究条件下，以25%粪肥替代矿物氮是黄土高原雨养冬小麦生产最适宜的氮素管理策略。未来研究应进一步探讨这些响应的微生物机制，并评估潜在的长期环境效应，以完善旱地农业的养分管理建议。