深松驱动的水氮协同促进黄土高原冬小麦花后资源吸收与生产力

《Agricultural Water Management》：Water–nitrogen synergy driven by subsoiling increases post–anthesis resource uptake and wheat productivity on the Loess Plateau

　　

在黄土高原旱地冬小麦生产中，深松驱动的水氮协同显著提高了花后资源吸收与作物生产力。深松改善了深层土壤贮水能力，增强了旱地冬小麦花后水分和氮素的吸收；深松与氮素的协同优化了旗叶生理功能，促进了花后干物质和氮素积累；深松显著提高了籽粒产量和水分生产力（water productivity, WP），且在干旱年份增效最为显著；深松与优化施氮量（135–180 kg ha^?1）可降低硝态氮残留，而过量施氮则增加深层淋溶风险；综合耕作与氮素管理可实现旱地小麦高产和可持续生产。

黄土高原旱地冬小麦面积占全国小麦总面积约三分之一，休闲期降雨占全年60%，生长季仅40%，水供应与需求错位导致产量波动大。长期免耕导致土壤压实、入渗受阻、休闲期贮水不足，而深松能破除犁底层、增加深层土壤贮水；但深松促进水分下渗的同时是否会在过量施氮条件下加剧硝态氮淋溶，此前尚未明确。针对这一研究缺口，研究人员于2022–2025年在黄土高原东南部山西闻喜开展三年田间试验，涵盖湿润、正常和干旱三种降水年型，设置免耕（no-tillage, NT）与深松（subsoiling, SS）两种耕作方式及0、90、135、180、225 kg N ha^?1五个施氮水平，采用裂区设计，供试品种为临旱8号，以揭示深松与优化施氮协同提高产量、资源利用效率并降低硝酸盐残留的机制，相关成果发表于《Agricultural Water Management》。

研究方法方面，研究人员采用裂区试验设计；测定了0–200 cm土壤容重、土壤水分和硝态氮残留；采用光合仪测定旗叶净光合速率，并测定硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性；采用烘干法和凯氏定氮法测定干物质与氮素转运积累；计算了籽粒产量、水分生产力及氮肥农学效率（agronomic efficiency of N, AEN）、回收效率（recovery efficiency of N, REN）和偏生产力（partial factor productivity of N, PFPN）；利用三因素方差分析和偏最小二乘路径模型（partial least squares path model, PLS-PM）解析耕作、施氮与各指标间的直接和间接效应。

休闲期土壤贮水变化研究表明，深松显著增加了100–200 cm和0–200 cm土层休闲期土壤贮水增量，三年平均分别提高37.4 mm和40.2 mm，说明深松更有利于将降水贮存在深层土壤。土壤水分消耗结果显示，深松显著增加了花前和花后100–200 cm土层的水分消耗，花后消耗量平均增加30.33 mm（增幅101.40%），0–200 cm全季水分消耗增加50.19 mm；干旱年份增幅最大，表明深松能够促进花后深层土壤水分利用。成熟期土壤硝态氮残留分析显示，深松使0–100 cm、100–200 cm和0–200 cm土层硝态氮残留分别降低21.72%、10.70%和19.52%；但当施氮量超过135 kg ha^?1后，土壤剖面硝态氮残留急剧增加，且深松配合225 kg N ha^?1在正常降水年使100–200 cm层残留比免耕高23.78%，提示过量施氮叠加深松存在深层淋溶风险。光合特性、抗氧化与氮代谢酶活性结果表明，深松显著提高了开花期和灌浆中期旗叶净光合速率、硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，灌浆中期提升幅度大于开花期，正常和干旱年份提升幅度大于湿润年份，说明深松改善了花后旗叶生理功能。干物质与氮素转运积累研究发现，深松提高了花前干物质转运量（dry matter translocation, DMTr）和花后干物质积累量（post-anthesis dry matter accumulation, DMAc）及其对籽粒的贡献率，也提高了花前氮素转运量（nitrogen translocation, NTr）和花后氮素积累量（post-anthesis nitrogen accumulation, NAc）及其贡献率，干旱年份提升幅度最大；湿润和正常年份籽粒干物质主要来自花后积累，而干旱年份主要依赖花前转运。籽粒产量与水分生产力结果显示，深松三年平均增产20.62%、水分生产力提高7.04%，干旱年份分别提高32.73%和11.09%；湿润年深松配合180 kg N ha^?1产量和水分生产力最高，正常年和干旱年则均以135 kg N ha^?1最优。氮肥利用效率结果表明，深松比免耕三年平均提高AEN 21.61%、REN 20.22%、PFPN 20.75%，干旱年提升幅度最大；施氮量超过135 kg N ha^?1后各效率指标显著下降，干旱年下降幅度最剧烈。相关性与路径分析表明，休闲期土壤贮水增量是驱动土壤水分消耗的最关键因子，路径系数为0.88；土壤水分消耗对籽粒产量贡献最大，标准化总效应为0.79；施氮量直接增加硝态氮残留（0.65），而旗叶生理性状是残留的重要负向调节因子（–0.80）；回归分析确定湿润、正常、干旱年及三年平均的适宜施氮范围分别为180–225、135–180、90–135、135–180 kg N ha^?1。

讨论部分指出，深松通过降低0–40 cm土壤容重、破除犁底层，既提高了休闲期深层贮水，又促进根系下扎和花后深层水分吸收，从而改善旗叶光合和氮代谢功能，进而促进干物质和氮素积累并提高产量。但这种增汇效应存在氮素阈值：当施氮超过135 kg ha^?1后，氮素利用效率显著下降，0–200 cm硝态氮残留大幅增加；深松在过量施氮条件下还会将更多硝态氮迁移至100–200 cm层，增大淋溶风险。因此，深松必须与优化施氮（135–180 kg N ha^?1）配合，才能实现“水氮协同—作物吸收—降低残留”的良性循环。研究结论是：深松与优化施氮共同调节旱地冬小麦的水氮利用、生理代谢和产量形成，深松显著增加花后深层水分吸收，配合135–180 kg N ha^?1可同时提高产量、水分生产力和氮素利用效率，并减少0–200 cm土层硝态氮残留；但应避免在正常或湿润降水年施用225 kg N ha^?1过量氮肥，以防亚深层硝态氮富集和淋溶风险，从而实现旱地小麦高产、高效与环境可持续的协同目标。