优化塑料薄膜覆盖技术和有机-无机肥料复合施肥方式，通过改善土壤条件，能够提高雨养春玉米的产粮量和水分利用效率

《Agricultural Water Management》：Optimizing plastic film mulching and organic-inorganic fertilization improves grain yield and water productivity of rainfed spring maize by ameliorating soil conditions

　　张广新|王向阳|蔡中文|乔亚楠|鲍利群|吕玉峰|赵德浩|文晓霞|韩娟|张燕|廖运成
中国山西省太谷市山西农业大学农学院，邮编030801

**摘要**
塑料薄膜覆盖和有机-无机肥料联合施用是提高雨养地区作物生产力的重要措施，但这些措施对土壤环境和作物生产力的综合影响尚不明确。因此，我们进行了为期两年的田间试验，测试了两个实验因素：种植方式（平铺种植不覆膜（FP）、平铺种植覆膜（FPFM）以及垄沟种植覆膜（RFPM）；以及有机-无机肥料组合（100%化学肥料氮（F1）、50%化学肥料氮+50%羊粪有机肥料氮（F2）、50%化学肥料氮+50%牛粪有机肥料氮（F3）和50%化学肥料氮+50%蘑菇渣有机肥料氮（F4）。我们评估了种植方式和有机-无机肥料组合对土壤性质、玉米生长、产量和水分生产力的影响。结果表明，塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料联合施用能够协同改善土壤物理化学性质，提高孔隙度、团聚体稳定性、有机碳和总氮含量，同时降低容重。这种处理方式增强了0-100厘米层（尤其是0-40厘米层）的土壤水分储存能力，并在作物生长后期持续提供氮素，促进了根系和地上部分的发育。因此，春季玉米产量和水分生产力显著提高，其中RFPM与F2组合通常取得最佳效果。相关性分析证实，产量提升是由土壤条件改善和植株生长促进所致。我们的研究结果证实了塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料联合施用的重要性和互补益处，为雨养农业地区的可持续土地利用和高效高产模式提供了理论基础。

**1. 引言**
全球范围内，水资源短缺和粮食安全问题日益严峻，尤其是在雨养农业区（Raju等人，2011年）。中国70%以上的耕地为雨养土地，黄土高原是最大的雨养农业区。该地区降水量低且分布不均（Li等人，2004年），长期受到季节性干旱导致的土壤水分胁迫的影响，从而导致产量低且不稳定，水资源利用效率低下（Wang等人，2025年）。在全球气候变化背景下，该地区的干旱频率和强度持续增加，进一步威胁粮食生产的可持续性（Fahad等人，2021年）。因此，识别和优化适应气候的农业管理措施对于提高作物生产力及保障粮食安全至关重要。

近几十年以来，黄土高原地区广泛采用了塑料薄膜覆盖技术。该技术通过简单的物理覆盖方式有效分配和优化了土壤水分、热量和养分等关键生长因素，从而在保持水分、提高土壤温度、抑制杂草和减少土壤侵蚀方面具有显著优势（Qin等人，2018年；Zhang等人，2018年）。最新的一项荟萃分析显示，在短期内，塑料薄膜覆盖可使平均粮食产量、水分生产力和氮素利用效率分别提高33%、26%和26%（Huang等人，2024年）。此外，在极端干旱年份，其效果更为明显，有助于增强气候适应性（Gan等人，2013年；Sun等人，2020年）。为了应对环境压力和粮食安全需求，垄沟覆膜（RFPM）技术得到了不断优化（Wang等人，2023年）。RFPM通过在田地中构建交替的垄和沟，垄上覆盖薄膜以收集雨水，沟内种植作物，从而提高降水收集和利用效率，可能提升作物产量（Mo等人，2016年）。尽管塑料薄膜覆盖对作物生产力的积极作用显著，但其对土壤健康的潜在负面影响也越来越明显（Wang等人，2023年）。这些负面影响体现在多个方面：（1）薄膜形成的物理屏障阻止降雨直接渗透到下层土壤中，同时减弱了干湿循环对土壤结构的自然改良作用，导致土壤团聚体稳定性下降和土壤物理环境恶化（Li等人，2016年）；（2）塑料薄膜覆盖从根本上改变了土壤水分运动方向，从垂直流向侧向，减缓了渗透速度，减少了深层水分通过毛细作用向上运动的能力，从而限制了作物在关键生长阶段的水分供应（Jiang等人，2017年）；（3）薄膜下形成的高温高湿微环境加速了土壤有机碳的矿化过程，不仅耗尽了土壤有机质，还降低了土壤保持水分和养分的能力，可能导致对持续外部投入的依赖（Liu等人，2023年）。总体而言，这些负面影响逐渐限制了长期持续施用塑料薄膜覆盖下产量和水分生产力的提升。

有机和无机肥料的联合施用被认为是实现农业绿色转型的重要途径（Liu等人，2021年；Gao等人，2023a）。有机肥料可补充土壤有机质，改善土壤结构，增强保水和养分能力，促进微生物多样性并激活土壤养分（Cui等人，2016年；Wu等人，2024年；Kokulan等人，2022年）。无机肥料可以精确快速地满足作物在关键生长阶段的养分需求（Xia和Yan，2023年）。它们的联合施用结合了即时和长期的养分供应，提高了作物的氮素吸收和利用效率，同时改善了土壤环境（Mei等人，2021年；Wang等人，2021年）。然而，在雨养农业系统中，有机-无机肥料联合施用的效果往往受到水资源可用性的限制。具体而言，土壤水分胁迫会抑制微生物活动，减缓有机物质的分解，导致养分释放（尤其是氮素）与作物需求高峰期出现时间错位，从而降低养分供应与作物吸收的同步性（Liu等人，2017年）。这一限制突显了土壤湿度在调节水限环境下的施肥策略性能中的关键作用。理论上，塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料联合施用可以产生互补优势：薄膜覆盖改善土壤水分条件，为养分释放提供有利环境，而有机肥料则改善土壤结构，部分缓解薄膜覆盖的负面影响。不过，尚不清楚在雨养农业系统中它们的联合施用是否仅仅产生简单叠加效应、协同增效还是相互制约，因为这两种措施对土壤物理性质和养分动态的相互作用尚未得到系统研究。此外，这种联合管理方式如何同时调节土壤结构、水分动态、作物产量和水分生产力的机制也不清楚。

为了解决这些知识空白，本研究在黄土高原典型的雨养春玉米系统中进行。主要目标是：（1）研究塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料联合施用对土壤物理性质（尤其是土壤结构和水分动态）的影响；（2）评估这些变化对玉米生长、产量形成和水分生产力的影响；（3）阐明覆膜和施肥措施之间的相互作用机制，以确定系统的整体表现。因此，我们提出核心假设：塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料联合施用通过创造更适宜的土壤水热环境和提高养分有效性，从而促进作物生长，最终提高雨养条件下的玉米产量和水分生产力。本研究的结果预计为建立高产、高效且环境可持续的玉米生产系统提供坚实的理论基础和实用技术参考。

**2. 材料与方法**
**2.1. 研究区域**
本研究于2024年和2025年春季玉米生长季节在中国山西省晋中市山西农业大学东阳试验站进行（37°69′N，112°78′E）（图1a）。该地区属于温带大陆性半干旱季风气候，年均气温9.8°C，年均降水量483毫米，年日照时数2662小时，无霜期158天，海拔1065.5米。实验期间的降水量和温度数据见图1b。2024年春季玉米生长季节的总降水量为226.5毫米，2025年为324.4毫米。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的分类标准，该地区的土壤类型为壤土。表层土壤（0-20厘米）的有机质含量为17.9克/千克，总氮含量为0.93克/千克，碱解氮含量为71.2毫克/千克，有效磷含量为49毫克/千克，有效钾含量为95毫克/千克。

**2.2. 实验设计**
采用双因素随机区组设计。第一个因素是种植方式，包括三种处理：平铺种植不覆膜（FP）、平铺种植覆膜（FPFM）和垄沟种植覆膜（RFPM）（图1c）；第二个因素是有机和无机肥料组合，包括四种处理：100%化学肥料氮（F1）、50%化学肥料氮+50%羊粪有机肥料氮（F2）、50%化学肥料氮+50%牛粪有机肥料氮（F3）和50%化学肥料氮+50%蘑菇渣有机肥料氮（F4）。选择用有机肥料氮替代50%化学肥料氮是基于先前的研究，表明这有利于提高作物产量（Wang等人，2019年）和土壤养分利用率（Cai等人，2019年），并减少排放（Gao等人，2023b；Xia等人，2017年）。此外，所使用的三种有机肥料的选择基于以下考虑：（1）在黄土高原的雨养农业区，羊粪和牛粪是最常见且易于获取的有机肥料来源，畜牧业是当地农业系统的重要组成部分；蘑菇渣是该地区快速发展的食用菌产业的副产品，是一种具有巨大农业循环潜力的新兴有机资源。因此，这三种有机肥料在研究区域具有很高的实用价值；（2）这三种材料在当地价格低廉且易于获取，对小农户经济可行。这些选择确保了研究结果的直接实践价值，并能迅速转化为当地农业实践。三种有机肥料的C/N比和分解特性详见表S2。

在RFPM中，田地中构建了交替的垄和沟，垄上覆盖薄膜，玉米种植在垄与沟的交界处。实验共包含12个处理，每个处理重复三次，共计36个小区，每个小区面积为48平方米（6米×8米）。所有处理均接受等量的氮、磷和钾施用量，分别为每公顷240千克氮、120千克五氧化二磷和90千克钾。研究中使用的三种有机肥料在市场上广泛供应。它们的氮含量均为20克/千克，其磷和钾含量详见表S1。有机肥料的施用量根据目标氮需求进行计算。根据需要添加过磷酸钙和氯化钾以满足目标磷和钾施用量。具体有机肥料施用量见表1。所有肥料均在播种前作为基肥施用，生长季节期间不再追肥。所使用的玉米品种为Xianyu 335。行间距为60厘米，植株间距为22.2厘米，种植密度为7.5×10^4株/公顷。播种日期分别为2024年5月3日和2025年5月1日，相应的收获日期为2024年9月27日和2025年9月25日。在两个生长季节均未进行灌溉，因此作物生长完全依赖于降雨。所有其他田间管理措施均符合当地农业生产标准。表1显示了不同施肥处理下化学肥料和有机肥料提供的氮（N）、五氧化二磷（P2O5）和氧化钾（K2O）的量。

| 处理方法 | 化学肥料（kg/公顷） | 有机肥料（kg/公顷） | N（P2O5） | K2O |
|---------|------------|-------------|---------|------------|
| F1 | 120 | 120 | 90 | 00 |
| F2 | 120 | 9.62 | 120 | 110.46 |
| F3 | 120 | 13.22 | 120 | 106.86 |
| F4 | 120 | 28.2 | 3.6 | 120 | 91.88 |

2.3.1 土壤容重、孔隙度和团聚体稳定性
在春玉米生理成熟期，使用切割环法测量了0-20厘米土层的容重（BD），并基于土壤容重和土壤比重（ρs，通过排水法测定）计算了土壤孔隙度（SP），公式如下：
(1) BD = ms / Vs
(2) SP = (1 - BD / ρs) × 100%
其中ms是烘干土壤样本的质量（g），Vs是固体土壤颗粒的总体积（cm^3）。
通过湿筛分将土壤团聚体分为三个部分：大团聚体（LM，>2毫米）、小团聚体（SM，0.25-2毫米）和微团聚体+非团聚颗粒（粉砂和粘土）（MI，<0.25毫米）。平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及大于0.25毫米的团聚体百分比（R0.25）被用作团聚体稳定性的定量指标。MWD、GMD和R0.25是在分离不同大小的稳定团聚体后使用湿筛分法计算的（Tian等人，2022年）。

2.3.2 土壤含水量（SWC）、土壤水分储存量（SWS）和季节性蒸散量（ET）
在春玉米的V6、V12、VT、R3和R6生长阶段，使用螺旋钻从行间（包括塑料膜覆盖的包膜和未包膜区域）和株间收集0-200厘米土层的土壤样本（Xu等人，2021年；Zheng等人，2022年）。确定鲜重后，将每个样本在105°C下烘烤24小时至恒重。SWC的计算公式如下：
(6) SWC = (W1 - W2) / W2
其中W1（g）是鲜土样的重量，W2（g）是烘干土样的重量。
SWS（mm）的计算公式如下：
(7) SWS = ∑(SWCi × BDi × SDi) / 100 × ρW
其中SWCi（%）是第i层的土壤含水量，BDi（g cm^-3）是第i层的土壤容重，SDi（cm）是第i层的土壤深度。对所有采样层（i=20, 40, 60, …, 200 cm）进行求和。
ET（mm）使用水分平衡方程计算：
(8) ET = SWSa - SWSb + P + I - R - D
其中SWSa（mm）是播种时的土壤水分储存量，SWSb（mm）是收获时的土壤水分储存量，P（mm）是生长季节的降水量，I（mm）是灌溉量，R（mm）是地表径流量，D（mm）是根区以下的排水量。由于田地平坦且布局一致，在实验期间没有发生径流；因此，假设排水量（D）和径流量（R）都为零。

2.3.3 土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、pH值和硝态氮（NO3-N）
在春玉米生理成熟期，从0-20厘米土层采集土壤样本。将部分土壤样本风干并筛分以确定SOC和TN含量。SOC使用酸消化-元素分析仪法测定，TN使用凯氏定氮法测定。土壤pH值使用水溶液（土壤:水比为1:5）测量。
用于测量SWC的每个新鲜土壤样本的一部分被保存、筛分，并用于使用KCl提取-AA3连续流动分析仪法测定土壤硝态氮（NO3-N）含量。

2.3.4 地上农艺性状和根系特征参数
在春玉米的V6、V12、VT和R3阶段，从每个小区收集所有地上部分以测量株高、茎径、干物质和叶面积指数（LAI）。在VT阶段，使用根钻从0-100厘米土层每隔20厘米采集土芯。手动挑选根系，并使用根系扫描仪确定根长密度（RLD）。随后，在烘干至恒重后测定每个土层的根干重。

2.3.5 产量和水分生产力
在春玉米生理成熟期，从每个小区中选择三行（每行15株连续植株）无采样损伤的植株进行产量测量。产量以公顷计，并标准化到含水量为14%。
水分生产力（kg/公顷·毫米）的计算公式如下：
(9) 水分生产力 = GY / ET
其中GY是产量（kg/公顷），ET是季节性总蒸散量（mm）。

2.3.6 协同效应
协同效应是指两种因素（塑料膜覆盖和有机-无机肥料）的共同效应显著大于它们各自效应之和的现象（Berenbaum，1978年；Greco等人，1992年；Thas等人，2022年）。统计上，这是基于双向ANOVA中的交互项进行测试的。
我们对本研究的两个核心目标变量——春玉米产量和水分生产力进行了双向ANOVA（塑料膜覆盖 × 有机-无机肥料），并报告了交互项的显著性（p值）。
接下来，我们按照Berenbaum（1978年）的方法计算了协同百分比：
(10) 协同百分比（%）= (E(FAi + FBj) - (E(FAi) + E(FBj)) / (E(FAi) + E(FBj)) × 100%
其中E(FAi + FBj)表示塑料膜覆盖和有机-无机肥料组合带来的产量或水分生产力增加，E(FAi)和E(FBj)分别表示单独使用塑料膜覆盖和有机-无机肥料带来的增加。正的协同百分比表示存在协同效应；否则表示没有协同效应。

2.4 统计分析
数据使用Microsoft Excel 2019处理，并用IBM SPSS Statistics 22.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）进行分析。为了考虑两年实验设计，应用了线性混合效应模型，其中年份作为随机因子，种植方法（PM）和肥料处理（FT）作为固定因子。完整模型包括年份、PM和FT的主效应，以及它们的双向（Y×PM, Y×FT, PM×FT）和三维（Y×PM×FT）交互效应。对于年份与任何固定因素之间的交互效应不显著（P > 0.05）的情况，将2024年和2025年的数据合并并呈现为两年平均值。当检测到显著的年份×处理交互效应时，分别报告每年的结果。使用Duncan的多重范围检验在P < 0.05和P < 0.01的显著性水平上进行事后比较。Mantel检验使用R包linkET进行，随机森林分析使用R包rfPermute进行，以识别影响产量和水分生产力的关键变量。所有图表均使用Origin 2024（OriginLab Inc., Northampton, MA, USA）制作。

3. 结果
3.1 土壤含水量
2024年和2025年春玉米生长季节的早期生长阶段都发生了极端干旱（图1b）。塑料膜覆盖和有机-无机肥料的联合应用有效缓解了这种干旱胁迫（图2和图3）。与FP相比，FPFM和RFPM下的0-100厘米土层SWS含量分别提高了6.10%和10.31%（两年平均值），其中0-40厘米层的增加最大（7.64%和12.76%），但在100-200厘米层没有显著差异（图S1）。在相同的种植方法下，与F1相比，F2在0-100厘米土层的SWS增加最大，其次是F3和F4。然而，在大多数情况下，F2和F3之间没有显著差异（P > 0.05）。

3.2 土壤物理性质
种植方法和有机肥料处理显著调节了土壤物理性质（图4）。与FP相比，FPFM显著增加了土壤孔隙度（R0.25）、大于0.25毫米的团聚体比例（R0.25）、MWD和GMD，分别增加了5.77%、16.30%、20.30%和9.19%；RFPM分别增加了7.91%、28.00%、23.87%和7.18%。覆膜方法还显著降低了土壤容重。与F1相比，在两种覆膜方法下，三种联合肥料处理显著增加了土壤孔隙度、MWD和GMD，并显著降低了土壤容重，尽管在大多数情况下三种有机肥料处理之间没有显著差异。F2下R0.25的增加幅度大于F3和F4。值得注意的是，种植方法和肥料处理对上述指标有显著的交互效应（P < 0.05），RFPM和F2的组合在改善土壤物理性质方面表现最佳。

3.3 土壤化学性质
种植方法和肥料处理显著影响了SOC和TN含量，但对土壤pH值没有显著影响（图5）。在两个生长季节中，与F1相比，F2的SOC增加最大（20.69%），其次是F3（19.86%）和F4（12.62%）。对于SOC和TN，观察到两个因素之间的显著交互效应。具体来说，在F1下，没有任何覆膜方法显著增加SOC含量，甚至略有下降（P > 0.05）。相比之下，在三种联合有机-无机肥料处理下，FPFM和RFPM分别使SOC含量增加了29.80%和31.41%（P < 0.05）。在RFPM下，F2的TN含量显著高于其他有机处理。与FP相比，FPFM和RFPM分别使TN含量增加了10.36%和16.77%（图5b和图5e）。在FP和FPFM下，三种有机肥料处理之间的TN含量没有显著差异（P > 0.05）。然而，在RFPM下，F2的TN含量显著高于其他处理（P < 0.05）。不同的字母表示在P<0.05的水平上不同覆盖方法之间存在显著差异。**表示在P<0.01的水平上存在显著差异；*表示在P<0.05的水平上存在显著差异；ns表示没有显著差异。在大多数情况下，随着土壤深度的增加，NO3–-N含量逐渐减少（图6，图7）。种植方法和施肥处理仅对0–60厘米土层中的NO3–-N含量有显著影响，在更深的土层中没有显著效果。与FP相比，塑料薄膜覆盖显著增加了NO3–-N含量，特别是在RFPM处理下。有趣的是，与F1相比，所有三种有机肥组合处理在播种后28天和51天时显著降低了0–20厘米土层中的NO3–-N含量。相比之下，有机肥组合处理在播种后72天、103天和149天时显著增加了0–40厘米土层中的NO3–-N含量。

图6. 2024年生长季节不同阶段，不同薄膜覆盖方法和有机-无机肥料组合处理对0–200厘米土层中NO3–-N含量的影响。FP表示不覆盖的平铺种植；FPFM表示覆盖塑料薄膜的平铺种植；RFPM表示覆盖塑料薄膜的垄沟种植。F1表示100%化学肥料氮；F2表示50%化学氮+50%羊粪氮；F3表示50%化学氮+50%牛粪氮；F4表示50%化学氮+50%蘑菇残渣氮。

图7. 2025年生长季节不同阶段，不同薄膜覆盖方法和有机-无机肥料组合处理对0–200厘米土层中NO3–-N含量的影响。FP表示不覆盖的平铺种植；FPFM表示覆盖塑料薄膜的平铺种植；RFPM表示覆盖塑料薄膜的垄沟种植。F1表示100%化学肥料氮；F2表示50%化学氮+50%羊粪氮；F3表示50%化学氮+50%牛粪氮；F4表示50%化学氮+50%蘑菇残渣氮。

3.4. 地上部分和根系的生长
在两个生长季节中，种植方法和施肥处理对春玉米地上部分特征有显著的交互作用（图8）。与FP相比，两种覆盖方法都显著增加了植株高度、茎秆直径、叶面积指数（LAI）和地上干物质。在相同的种植方法下，与F1相比，三种有机-无机肥料组合处理也显著改善了这些参数，其中F2的效果最好，其次是F3和F4。

图8. 种植方法（PM）和有机-无机肥料组合（FT）对春玉米植株高度、茎秆直径、叶面积指数和地上干物质的影响。FP表示不覆盖的平铺种植；FPFM表示覆盖塑料薄膜的平铺种植；RFPM表示覆盖塑料薄膜的垄沟种植。F1表示100%化学肥料氮；F2表示50%化学氮+50%羊粪氮；F3表示50%化学氮+50%牛粪氮；F4表示50%化学氮+50%蘑菇残渣氮。数据代表两年的平均值。不同的字母表示在P<0.05的水平上不同种植方法之间存在显著差异。**表示在P<0.01的水平上存在显著差异；*表示在P<0.05的水平上存在显著差异；ns表示没有显著差异。

RDD和RLD随着土壤深度的增加而逐渐减少（图9）。在大多数情况下，种植方法和施肥处理主要影响0–60厘米土层中的根系参数，尤其是0–20厘米土层，在更深的土层中对根系特征没有显著影响。与FP相比，FPFM和RFPM分别使0–60厘米土层中的RDD值增加了30.46%和34.74%，RLD值增加了5.05%和10.34%。此外，与F1相比，F2在0–60厘米土层中RDD和RLD的增加最为显著，其次是F3和F4。

图9. 不同薄膜覆盖方法和有机-无机肥料组合处理对根干密度（RDD）和根长密度（RLD）的影响。FP表示不覆盖的平铺种植；FPFM表示覆盖塑料薄膜的平铺种植；RFPM表示覆盖塑料薄膜的垄沟种植。F1表示100%化学肥料氮；F2表示50%化学氮+50%羊粪氮；F3表示50%化学氮+50%牛粪氮；F4表示50%化学氮+50%蘑菇残渣氮。

3.5. 春玉米产量和水生产力
两年间春玉米的籽粒产量有显著差异，2025年的产量比2024年高出8.88%，这是由于地上生物量较高（表2）。种植方法和施肥处理对籽粒产量有显著的主效应。与FP相比，FPFM和RFPM分别使平均籽粒产量增加了17.74%和22.51%，籽粒产量的差异主要与收获指数有关。与F1相比，所有三种有机肥组合处理都显著增加了籽粒产量，其中F2和F3的效果最为明显。在两年中，种植方法和施肥处理对籽粒产量也有显著的交互作用，RFPM和F2的组合获得了最高的籽粒产量（表S3）。各处理的水生产力趋势与籽粒产量的趋势一致（图10）。与FP相比，FPFM和RFPM分别使平均水生产力值增加了16.43%和29.28%。与F1相比，F2在水生产力上的提高最为显著（+14.91%），其次是F3（+12.14%）和F4（+7.24%）。

表2. 种植方法（PM）和有机-无机肥料组合（FT）对春玉米籽粒产量、地上生物量和收获指数（HI）的影响。
因素 籽粒产量（t ha–1） 地上生物量（t ha–1） 收获指数（HI%）
年份（Y） 2024 11.14 b 28.87 b 38.51 a
2025 12.13 a 31.36 a 38.73 a

种植方法（PM） FP 10.26c 29.57 b 34.37c
FPFM 12.08 b 30.23 a 39.67 b
RFPM 12.57 a 30.05 a 41.81 a

有机-无机肥料组合（FT）F1 10.68c 29.57 b 37.18 b
F2 12.22 a 30.38 a 39.60 a
F3 11.99 a 30.36 a 39.16 a
F4 11.52 b 30.15 a 38.53 b

ANOVA 主效应 F检验（Y）**** ns
F检验（PM）***** F检验（FT）*****
交互作用 F检验（Y×PM）ns ns ns
F检验（Y×FT）*** F检验（PM×FT）ns ns ns

图10. 2024年和2025年，不同种植方法（PM）和有机-无机肥料组合（FT）对春玉米水生产力（kg ha–1 mm–1）的影响。FP表示不覆盖的平铺种植；FPFM表示覆盖塑料薄膜的平铺种植；RFPM表示覆盖塑料薄膜的垄沟种植。F1表示100%化学肥料氮；F2表示50%化学氮+50%羊粪氮；F3表示50%化学氮+50%牛粪氮；F4表示50%化学氮+50%蘑菇残渣氮。不同的小写字母表示在P<0.05的水平上不同处理之间存在显著差异。不同的字母表示在P<0.05的水平上不同覆盖方法之间存在显著差异。不同的小写字母表示在P=0.05的水平上存在显著差异。**表示在P<0.01的水平上存在显著差异；*表示在P<0.05的水平上存在显著差异；ns表示没有显著差异。

3.6. 玉米生长特性与土壤性质的关系
大多数土壤物理和化学性质（土壤容重除外）与春玉米的生长指标、产量和水生产力呈正相关（图11a）。随机森林模型结果表明，RDD、NO3–-N、茎秆直径、土壤容重、LAI、MWD、土壤孔隙度、干物质、SOC和TN是影响春玉米籽粒产量的关键因素。植株高度、RLD、SWS、TN、MWD、R0.25、土壤孔隙度和RDD被认为是影响水生产力的关键因素（图11b和图11c）。

4. 讨论
本研究系统地探讨了在黄土高原的雨养春玉米系统中，将塑料薄膜覆盖与有机和无机肥料综合应用对土壤环境、作物生长、籽粒产量和水生产力的影响。结果表明，将塑料薄膜覆盖与有机-无机肥料结合使用显著提高了耕作层中土壤水分和氮的可用性，优化了土壤结构，并增强了SOC和氮的储备。这些改善促进了春玉米的生长，最终导致籽粒产量和水生产力的协同增加。这些发现与我们的初始假设一致。

4.1. 有机-无机肥料组合减轻了塑料薄膜覆盖对土壤结构的潜在负面影响，实现了协同改进
人们担心塑料薄膜覆盖可能对土壤结构产生不利影响，如降低团聚体稳定性并增加土壤压实的风险（Li等人，2016年；Jiang等人，2017年；Zhang等人，2026a年）。我们的结果部分支持了这些担忧。在仅施用化学肥料的情况下，塑料薄膜覆盖（FPFM和RFPM）并未显著增加SOC含量，甚至在某些情况下还略有下降（图5a和图5d）。这些结果可以归因于薄膜覆盖下改善的水热微环境，加速了土壤有机碳的矿化过程，从而促进了微生物活动（Liu等人，2023年）。在没有外部有机投入的情况下，加速分解反而消耗了土壤碳储备，这解释了观察到的轻微下降。然而，当薄膜覆盖与有机改良剂结合使用时，情况发生了根本性的变化。新鲜有机碳的直接和持续输入抵消了由于矿化造成的损失，并显著增加了表土中的SOC和TN含量（图5）。这种对比凸显了一个关键的机制：单独使用塑料薄膜可以创造出有利于有机物分解的热湿条件，但外源有机投入的质量和数量决定了最终的碳增益或损失。所有有机-无机肥料组合处理显著增加了>0.25毫米的水稳团聚体的比例、MWD和GMD，并同时降低了土壤容重（图4）。从机制上看，有机改良剂通过两种途径促进大团聚体的形成：（i）有机纤维和真菌菌丝直接缠结土壤颗粒；（ii）间接刺激微生物产生胶凝剂（Six等人，2004年；Lehmann等人，2017年）。因此，有机改良剂有效地促进了大团聚体的形成和稳定，并改善了土壤孔隙结构。特别是羊粪处理在增强土壤团聚体稳定性方面最为有效，这可能与其特定的有机组成、C/N比和可分解性有关，这些因素有助于更高效的土壤颗粒胶结。因此，有机-无机肥料复合应用可以有效补偿塑料薄膜覆盖对自然土壤结构形成的潜在削弱作用。积极添加有机物质并刺激生物活动可以实现土壤物理性质的协同改进。我们的分析表明，除了常用的C/N比和分解率之外，还有其他机制可以解释羊粪（F2）相比牛粪（F3）和蘑菇残渣（F4）的更好性能。首先，据报道羊粪通常含有更多种类的功能活性微生物群落，包括更多的纤维素降解细菌（如Cellulomonas和Streptomyces）和促进植物生长的根瘤菌（如Bacillus spp.和Pseudomonas spp.），这些微生物可以加速有机物的分解和养分循环（Wu等人，2024年；Rattan等人，2022年）。相比之下，蘑菇残渣的微生物群落主要由 lignin-降解真菌（如Pleurotus spp.）和适应木质纤维素底物的特定细菌组成，这些微生物可能在促进快速团聚体形成方面效率较低，因为它们的分解速率较慢，代谢副产品也不同（Zhang等人，2018a年）。其次，根据先前的研究，羊粪与反刍动物的粪便在生化组成上有显著差异。羊粪是一种“热”粪便，由于消化效率更高，其中含有较高比例的易分解有机碳组分（如多糖和简单蛋白质），这些组分可以作为土壤微生物的快速可利用的能量来源；而蘑菇残渣则富含更难分解的木质纤维素化合物，分解速度较慢（Zhang等人，2018a）。这种易分解碳含量的差异直接影响微生物的生长动力学和胞外聚合物的产生，这对团聚体的稳定至关重要。第三，羊粪富含分子量较低、羧基密度较高的特定腐殖酸组分，这些组分可以直接螯合微量营养素，并表现出类似激素的活性，促进根系伸长和养分吸收（Canellas等人，2015）。相比之下，来自蘑菇残渣的腐殖物质更具芳香性且更易凝结，从而降低了其生物活性和土壤颗粒胶结的能力。这些因素共同解释了为什么F2处理在改善团聚体稳定性和有机碳（SOC）积累方面取得了最大效果。在未来的研究中，需要直接测量这些微生物和生化特性，以进一步验证上述结果。

4.2. 塑料薄膜盖膜与有机-无机肥料联合施用提高了土壤水分和氮素供应
与单纯使用塑料薄膜（FP）相比，复合塑料薄膜盖膜（FPFM）和有机-无机肥料复合覆盖（RFPM）显著增加了0-100厘米土层中的有效水分（SWS）含量，尤其是在0-40厘米的表土层中（图2，图3），这一点也在先前的研究中得到证实（Qin等人，2018；Zhang等人，2018b）。特别是，RFPM在保持水分方面的效果优于FPFM，因为它能更有效地收集并横向分布有限的降水到作物根区（Wang等人，2023；Zhang等人，2026b）。更重要的是，薄膜盖膜与有机-无机肥料联合使用能够协同增强水分保持能力。在相同的盖膜方法下，所有三种有机-无机肥料处理下的SWS含量均显著高于仅施用化学肥料的情况（图S1）。这种协同作用通过正反馈机制起作用：有机投入增加了土壤有机质含量（图5a和d），从而提高了团聚体稳定性和孔隙度（图4），进而改善了土壤持水能力（Cui等人，2016；Gan等人，2013；Madembo和Nyagumbo，2026）。改良后的土壤结构像海绵一样，增强了吸收和保持水分的能力，超过了单独使用薄膜盖膜所能实现的蒸发减少效果。薄膜盖膜还显著提高了0-60厘米土层中的硝酸盐氮（NO3–-N）含量（图6，图7），这主要得益于改善的土壤水热条件促进了氮的矿化过程。然而，比较不同肥料处理方式发现氮素供应动态存在重要机制差异。单独使用化学肥料时，氮的快速释放会导致峰值供应，可能与作物吸收模式不符，增加硝酸盐淋失或气体损失的风险（Sun等人，2021）。相比之下，有机-无机肥料联合施用从根本上改变了氮的释放时间和模式。在玉米生长期早期（28天和51天），有机-无机处理下的NO3–-N含量较低，这可能是由于分解者群落暂时固定了无机氮（Kokulan等人，2022；Svensson等人，2025）。这种暂时固定具有生态意义，因为它将氮保留在微生物生物量中，从而在作物需求较低的幼苗阶段减少了氮损失。而在生长中期至后期（72天、103天和149天），当作物需求达到高峰时，有机-无机肥料处理下的NO3–-N含量显著高于单独使用化学肥料的情况（图6，图7）。这种逆转表明，在初始固定阶段之后，微生物生物量被转化并矿化，释放了之前固定的氮（Liu等人，2021；Sjulgard等人，2025）。这种氮素供应模式表现为初期释放缓慢、中期供应稳定、后期持续补充（Xia和Yan，2023；Yost等人，2023），与单独使用化学肥料形成的单一脉冲模式更为吻合。薄膜盖膜和有机肥料类型对硝酸盐氮含量有交互作用，其中RFPM与羊粪联合使用（F2）提供了最理想的氮素供应模式。根据之前的研究结果，羊粪可能能在早期适度固定氮，并在灌浆期持续释放氮，尽管本研究中未直接测量其分解动态。

4.3. 在塑料薄膜盖膜和有机-无机肥料联合施用下，雨养春玉米产量得到提升
上述提到的土壤物理结构和水分-氮素供应动态的改善为作物产量的提高奠定了基础。优化的土壤物理环境和更好的水分/氮素供应直接促进了地上和地下生长的协调。土壤容重降低以及大团聚体稳定性的提高降低了机械阻力，促进了根系扩展（Bengough等人，2011；Heinen等人，2025），使得0-60厘米土层中的根长密度和根干重显著增加（图9），从而增强了水分和养分的捕获能力。同时，由有机改良剂中的碳氮比（C/N比）调节的氮素释放模式使氮素供应与作物需求更好地匹配。此外，有机投入提供了高质量的碳源，支持根际微生物的活动。研究表明，微生物分泌物（包括促进生长的物质）可以刺激根尖分生组织的活动，促进侧根发育，增加根系的表面积和吸收能力（Oburger和Jones，2018；Li等人，2023）。但由于本研究未直接分析根际微生物组，这一机制仍属于推论。根系扩展增强了水分和养分的空间捕获能力，根系分泌物可以动员土壤中较难获取的养分（Hinsinger等人，2009；Song等人，2024），从而形成正反馈循环。在雨养条件下，深根（20-60厘米）的发育对于在干旱期间获取深层土壤水分至关重要（Lynch，2013；Sciarresi等人，2025）。综合方法还显著改善了地上冠层，表现为干物质积累的增加。因此，综合方法显著提高了籽粒产量和水分生产力（表2和图10），其中RFPM与羊粪的联合使用由于协同作用发挥了最大作用。这种现象的原因在于，提高的团聚体稳定性和有机投入的有利碳氮比改善了土壤持水能力，并形成了一个在生育期持续释放氮素的供应模式。这些地下方面的改善反过来支持了更深的根系扩展和更多的地上生物量积累，最终转化为更高的籽粒产量和水分生产力。薄膜盖膜直接减少了蒸发水分损失，有机改良剂提高了土壤持水能力，综合施肥提供了持续释放的易利用养分。改善的水热环境进一步促进了养分的有效转化和吸收，使供应与作物需求更加匹配（Fahad等人，2021；Gao等人，2023b；Qaswar等人，2020）。相关性分析支持了这些关系（图11）。因此，籽粒产量和水分生产力的提高不仅仅是各因素的简单叠加，而是薄膜盖膜、有机改良剂改善土壤以及水分和养分动态优化之间正向协同作用的结果。

4.4. 本研究的局限性
在本研究中，我们未直接分析土壤微生物群落的结构或功能，从而限制了我们阐明观察到的协同效应背后微生物机制的能力。尽管根据现有文献推断出不同有机肥料类型间微生物群落组成的差异，但缺乏来自我们实验背景下的宏基因组学或扩增子测序的直接证据。此类数据将有助于更精确地理解特定微生物类群（如纤维素分解菌与木质素分解真菌）在不同有机改良剂处理下如何调节团聚体形成、碳封存和氮矿化过程。此外，我们未量化温室气体排放（如N2O、CO2、CH4），也未评估综合管理措施的经济效益，这两点对于评估这些策略的环境可持续性和实际应用潜力至关重要。未来的研究应结合多组学方法（如宏基因组学和高通量测序）以及酶活性分析，以深入了解薄膜盖膜与有机-无机肥料结合如何调控微生物驱动的碳和氮转化过程，从而提供分子层面的证据支持协同效应。此外，还需要进行包括生命周期分析、温室气体清单编制和经济成本效益分析在内的综合性评估，以全面评估这些综合措施的可持续性。

5. 结论
在本研究中，经过两个干旱易发生长季节的试验，塑料薄膜盖膜与有机-无机肥料的综合应用协同改善了土壤结构，增强了土壤的有效水分保持能力，并优化了氮素释放动态。这些协同作用显著促进了玉米根系发育、冠层生长和干物质积累，最终提高了籽粒产量和水分生产力。特别是垄沟式薄膜盖膜与羊粪的联合使用取得了最佳效果，进一步强调了特定盖膜方法和有机肥料类型之间相互作用的重要性。总之，将塑料薄膜盖膜与有机-无机肥料结合使用是一种具有气候适应性的综合管理策略，是实现高效玉米生产和雨养地区可持续土壤管理的可行方案。未来的研究应结合多组学方法（如微生物组学和代谢组学），以进一步阐明驱动这些协同作用的生物学机制。从实际角度来看，推动有机-无机肥料施用与优化盖膜技术结合的政策支持，以及为农民提供技术推广服务，对于将这些发现广泛应用于农业生产并提升雨养农业系统的长期可持续性至关重要。

**作者贡献声明**
吕玉峰：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析、数据管理。
鲍立群：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析、数据管理。
蔡忠敏：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。
赵德浩：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。
张光新：撰写——初稿撰写、方法学设计、研究、概念构建。
焦亚楠：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析、数据管理。
王向阳：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析、数据管理。
韩娟：撰写——审稿与编辑、验证。
文晓霞：验证、数据分析、数据管理、概念构建。
廖云成：撰写——审稿与编辑、验证。
张燕：撰写——审稿与编辑、数据分析。