《Agricultural Water Management》：How film mulching and organic fertilization regulate root-shoot architecture to improve drought resistance and productivity of dryland wheat
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为保障全球人口日益增长的营养食品供给，同时推进农业可持续发展，是全球食物系统面临的核心挑战。冬小麦是黄土高原地区的主要粮食作物，对保障区域粮食安全和提升种植经济效益具有重要作用。然而，该雨养农业生态系统受降水稀少且分布不均、土壤蒸发强烈及土壤肥力退化等多重因素
为保障全球人口日益增长的营养食品供给，同时推进农业可持续发展，是全球食物系统面临的核心挑战。冬小麦是黄土高原地区的主要粮食作物，对保障区域粮食安全和提升种植经济效益具有重要作用。然而，该雨养农业生态系统受降水稀少且分布不均、土壤蒸发强烈及土壤肥力退化等多重因素严重制约，最终导致小麦产量低、年际波动大以及水肥利用效率低下等问题。水资源短缺与不合理养分管理是限制该区域小麦生产力、水分生产力（WP）及降水利用效率（PUE）的两大主导因素。过去数十年间，地膜覆盖已成为旱地保墒、增温、抑草并促进作物生长与产量的普遍耕作措施。黄土高原土壤本底氮素供应能力低，施肥对充分发挥作物产量潜力不可或缺。长期单一化学氮素投入会引发多重土壤退化风险：土壤团聚体结构稳定性急剧下降、土壤微生物代谢活性受抑、土壤养分供应周期变为不连续。此类不利土壤条件进一步限制了地膜覆盖栽培的增产潜力与保墒优势。有机肥作为富含有机质的生态友好型优质改良剂，具有类型多样、来源广泛、效果持久的特点。有机物料施入表土后可补充土壤养分库、持续稳定供肥以满足作物全生育期营养需求，同时激活土壤微生物群落、增强作物吸收利用土壤养分的能力。然而，有机肥养分含量较低、释放速率较慢，需较大施用量才能满足作物需求，导致作物生育前期养分供应不足，限制有机养分的吸收利用并损害产量形成。因此，有机与化学氮源配施已成为当代农业生产的主流施肥策略，可优化土壤养分供应模式、满足作物生长养分需求并最终提高和稳定产量。以有机氮部分替代化学氮肥是缓解土壤退化的有效措施，不仅使养分释放节律与作物养分需求模式同步、改善土壤团聚体结构，还可显著促进作物根系生长。然而，经过多年定位田间试验，地膜覆盖与有机氮肥替代如何交互调控旱地冬小麦根系形态、地上部生理生长、干物质积累、WP及籽粒产量仍不清楚。此外，根系构型是作物水分养分吸收能力的核心决定因素，进而调控冠层光合生理过程与光合产物分配。适宜的根冠比可有效减少植株无效冗余生长，促进光合产物向籽粒的高效运输与分配，从而提高作物产量与品质。现有相关研究多仅调查单一最终生育期的根系性状；根系构型对地膜覆盖-有机替代耦合在丰水与干旱生长季的季节动态响应仍缺乏系统记载。鲜有多多年定量数据集能够阐明地膜覆盖-肥料互作如何调控作物与根系的垂直分布、根冠生长平衡、土壤贮水动态及提高作物产量与WP的潜在协同机制。此外，多数现有研究未能系统分析不同降雨年份下地膜覆盖与有机无机配施的协同适应特征，因而无法充分反映气候条件的年际变异规律或准确揭示作物在不同水分环境下的差异化响应机制。因此，亟需耦合根冠构型、土壤耗水与干旱生长季产量响应的多年定量数据集，以支撑旱地小麦地膜覆盖-施肥管理的合理设计。鉴于上述情况，研究人员在黄土高原开展了连续三年定位田间试验。本研究旨在验证以下科学假设：地膜覆盖耦合合理的有机肥替代可优化旱地冬小麦根系构型、改善地上部生长状况与生理活性、增强土壤有效供水能力，最终实现籽粒产量与WP的协同提升。本研究具体目标为：（1）系统阐明地膜覆盖、有机肥替代及其互作对土壤贮水、根系形态特征、根冠比（R/S）、叶面积指数（LAI）、叶绿素含量及光合速率的调控效应；（2）揭示土壤水分调控、根系生长发育与植株地上部生长生理之间的协同互作机制；（3）筛选可实现作物稳产高产与高效用水的旱地生产最优覆盖与施肥方案；（4）通过相关分析与结构方程模型阐明提升冬小麦生产力与WP的核心调控路径。研究结果旨在为黄土高原地膜覆盖旱地小麦生产提高水肥管理效率提供理论支撑与可操作建议。
研究背景方面，保障全球人口日益增长的营养食品供给并推进农业可持续发展是全球食物系统面临的核心挑战。冬小麦是黄土高原主要粮食作物，对区域粮食安全和种植经济效益至关重要。但该雨养农业生态系统受降水稀少且分布不均、土壤蒸发强烈和土壤肥力退化等多重因素制约，导致小麦产量低、年际波动大、水肥利用效率低下。水资源短缺与不合理养分管理是限制该区域小麦生产力、水分生产力（WP）和降水利用效率（PUE）的两大主导因素。地膜覆盖已成为旱地保墒、增温、抑草并促进作物生长与产量的普遍措施，但长期单一化学氮素投入会引发土壤团聚体结构稳定性下降、微生物代谢活性受抑、养分供应周期不连续等退化风险，进而限制地膜覆盖的增产与保墒优势。有机肥可补充土壤养分库、持续供肥并激活微生物群落，但其养分含量低、释放慢，单施难以满足作物前期需求。有机与化学氮源配施已成为主流施肥策略，而以有机氮部分替代化学氮肥是缓解土壤退化的有效措施。然而，地膜覆盖与有机氮肥替代如何交互调控旱地冬小麦根系形态、地上部生理生长、干物质积累、WP及籽粒产量仍不清楚；现有研究多仅调查单一最终生育期根系性状，缺乏对根构型季节动态响应及不同降雨年份协同适应特征的多年定量数据。为此，研究人员在黄土高原开展连续三年定位田间试验，旨在验证地膜覆盖耦合合理有机肥替代可优化根构型、改善地上部生理活性、增强土壤供水能力并最终协同提升籽粒产量与WP的科学假设，具体目标包括阐明各因素及互作对土壤贮水、根系形态、R/S、LAI、叶绿素含量和光合速率的调控效应，揭示土壤水分、根系与地上部生长的协同互作机制，筛选最优覆盖施肥方案，并通过相关分析与结构方程模型阐明核心调控路径。
在技术方法上，研究人员于2018—2021年在陕西杨凌（34°20′ N，108°24′ E；海拔521 m）开展三年田间试验，该地属半干旱气候，年均降水量560 mm，年均气温13.0 ℃，土壤为粉砂壤土。试验采用裂区设计，主区为传统不覆盖（P0）与全生育期透明地膜全覆盖（P1），裂区为常规无机肥（CF）、50%无机肥以有机肥替代（CFM）和单施有机肥（M）三种施肥处理，共6个处理组合，每处理3次重复。供试冬小麦品种为“小偃22”，各处理均施氮150 kg ha?1（CF为全无机、CFM为50%无机+50%有机、M为全有机），施磷100 kg ha?1，有机与化学肥料均于播前基施。采用干旱指数（DI）划分生长季气候类型，2018—2019、2019—2020和2020—2021生长季分别被划分为正常、干旱和正常，DI值分别为?0.22、?0.75和?0.18。测定指标包括产量、土壤含水量（SWC）、土壤贮水（SWS）、WP、PUE、叶面积指数（LAI）、叶绿素含量、光合速率及根系形态参数（根径RD、根长密度RLD、根表面积密度RAD），并采用方差分析、相关分析和结构方程模型（SEM）进行统计。
研究结果如下：3.1 土壤含水量与土壤贮水。通过三年生育期0—100 cm土层SWC与SWS测定得出，地膜覆盖有效提升了0—100 cm土层贮水，苗期—返青期（SR）P1较P0的SWS分别提高11.7%（2018—2019）、23.9%（2019—2020）和25.7%（2020—2021）；有机肥替代处理的SWS显著高于CF；拔节—灌浆期（JG）不覆盖条件下CFM较CF和M显著降低SWS；灌浆—成熟期（GM）P1的SWS较不覆盖提高14.3%、21.6%和8.1%。3.2 根系形态特征与垂直分布。通过JG期根系扫描得出，RD、RLD和RAD均随土层加深呈上升趋势，覆盖、施肥和年份均显著影响RD和RLD，仅年份显著影响RAD；P1使0—40 cm土层RD较P0提高5.3%—8.4%，CFM的RD最高；0—40 cm土层平均RLD占总RLD的62.8%—68.5%，为主要根活性区，P1提高RLD，CFM在P0和P1下均提高RLD；2019—2021年P1显著提高40—100 cm土层RLD 15.6%—20.9%，CFM较CF和M提高7.1%—16.9%和9.8%—15.9%；0—20 cm土层P1使RAD较P0提高15.9%、14.7%和15.2%，CFM较CF和M提高9.8%—16.9%和15.4%—21.6%。3.3 干物质积累与根冠比。通过JG期生物量测定得出，P1使地上部干物质（ADM）较P0提高9.7%、14.2%和7.1%，CFM的ADM最高；P1使根重（RW）较P0提高15.3%、16.4%和7.1%，CFM的RW最高；地膜覆盖与有机无机配施均降低R/S，CFM的R/S最低，P0下CFM较CF和M降低6.6%—12.3%，P1下降低5.2%—9.9%。3.4 叶面积指数、叶绿素含量与光合速率。通过JG期生理指标测定得出，覆盖、施肥和年份对LAI和光合速率影响极显著；P0下CFM较CF和M提高LAI 15.9%—25.6%和5.6%—22.1%，P1下提高20.3%—33.1%和23.4%—61.9%；P1三年平均LAI较P0提高20.1%、21.5%和13.8%；CFM较CF提高叶绿素含量4.2%—14.2%（P0）和6.3%—16.4%（P1）；CFM提高光合速率，P1较P0平均提高11.3%、7.3%和9.9%。3.5 水分生产力、降水利用效率与籽粒产量。通过三年产量与水分效率计算得出，P1-CFM显著提高WP、PUE和籽粒产量（GY）；P0下CFM的WP较CF和M提高10.3%—16.6%和11.6%—15.6%，P1下P1-CFM较CF和M提高4.3%—10.9%和15.1%—18.2%；干旱年（2019—2020）P1-CFM的WP较P0-CF显著提高45.2%；P1较P0的WP稳定提高10.8%—27.8%；CFM的PUE较CF和M提高6.6%—22.7%，2019—2020年P1-CFM的PUE达峰值45.63 kg ha?1 mm?1，较P0-CF提高35.4%；P1-CFM在2020—2021年产量最高达7.80 t ha?1，P1较P0稳定增产9.1%—16.4%，干旱年P1-CFM较P0-CF显著增产35.4%。3.6 相关分析与结构方程模型。通过相关分析与SEM得出，GY与多数根系指标和地上部性状极显著正相关，RLD、ADM、LAI和光合速率的相关系数分别为0.75、0.87、0.88和0.77，WP与GY相关系数为0.79，R/S与GY显著负相关（?0.58）；SEM显示覆盖（PP）和施肥（FP）对根系形态（RM）和地上部冠层（AC）有强正效应，二者均负向影响R/S；RM直接增强AC（路径系数0.48），RM和AC均正向影响GY（路径系数0.59和0.73）；PP、FP、RM、AC、R/S和WP对GY的总标准化效应分别为0.54、0.73、0.59、0.16、?0.18和0.26。最后，讨论部分围绕四个方面展开：土壤水分动态对地膜覆盖与有机肥替代的响应、覆盖与施肥对根系形态和根冠比的调控、叶片生理性状与光合能力的调控，以及对产量、WP的协同效应与潜在调控路径，并指出P1-CFM在干旱年优势更为突出，但其幅度受粪源、作物种类、土壤性质和降水分布影响，属区域和作物特异性结果，外推需谨慎；同时指出长期聚乙烯地膜残留污染问题及可降解膜的替代前景。研究结论部分翻译如下：基于黄土高原连续三年定位田间试验，本研究揭示地膜覆盖结合50%有机氮替代（P1-CFM）显著提高了雨养冬小麦的土壤贮水、根系形态性状、冠层生理性能、籽粒产量和WP。三个生长季中，P1-CFM处理获得最高籽粒产量（2020—2021年为7.80 t ha?1）和WP，在干旱胁迫下较传统P0-CF处理分别提高达35.4%和45.2%。机制分析表明，优化的根系形态可增强作物水肥吸收能力，促进冠层高效光合运转，并促进光合产物向籽粒的定向分配，最终提升产量与水分生产效率。综上，地膜覆盖结合部分有机肥替代是本研究试验框架内增强产量稳定性、WP和抗旱性的有效农艺策略。尽管本研究采用的常规聚乙烯地膜具有增产节水优势，但可能带来塑料残留积累的长期环境隐患。将观察结果外推至其他生产情景时应谨慎解读。需注意本试验仅考察了一个有机氮替代水平，作物对该综合管理的基因型变异尚未探索。未来结合更宽施肥梯度、多样作物基因型和环境友好型覆盖替代品的多环境田间评估将有助于进一步明确其在黄土高原及类似农业生态区更广泛应用中的适宜性。
