《Frontiers in Plant Science》：Soil quality, elemental stoichiometry and crop yield under partial substitution of chemical fertilizers with organic inputs in Vertisols: a six-site field study
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本综述通过三年六站点田间试验，系统揭示了在华北平原变性土中，以猪粪部分替代化学肥料（15%-30%氮输入）可显著改善土壤结构（降低容重1.3–17.1%）、提升土壤有机碳（SOC，增加0.77–22.5%）及养分有效性（提高2.1–23.7%），并优化土壤元素化学计量比（C:N、C:P、N:P）。研究证实，30%替代处理（30%M）通过提升土壤质量指数（SQI，增长31.5–335.6%）和产量可持续性指数（SYI），实现小麦-玉米系统增产（1.3–251.3%）与稳产，为变性土区农业可持续集约化提供了理论依据与实践路径。
1 引言
在全球人口增长、耕地缩减及气候变化背景下，保障粮食安全是可持续农业面临的重大挑战。化学肥料（CF）虽支撑了约50%的粮食增产，但过量施用导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题。有机肥部分替代化学肥料被视为一种可持续的施肥策略，可改善土壤结构、提升养分供应并减少环境风险。然而，其对变性土（Shajiang Black Soils）土壤质量及元素化学计量影响的系统研究仍显不足。华北平原的变性土面积约4×106公顷，因结构稳定性差、有机碳低、养分有效性不足而属于中低产土壤，制约区域粮食安全。本研究通过三年六站点田间试验，旨在量化有机替代对土壤结构、养分特性、土壤质量指数（SQI）及元素化学计量的影响，并解析其驱动作物产量的机制。
2 材料与方法
试验于2021年10月在华北平原变性土区六个站点（Funan、Yongxing、Kantong、Guoyang、Mengcheng、Wuhe）开展，采用随机区组设计，设无肥对照（Control）、全量化肥（NPK）、15%猪粪氮替代（15%M）和30%猪粪氮替代（30%M）处理。土壤指标包括容重（BD）、pH、有机质（SOM）、全量及有效氮磷钾（TN、TP、TK、A.N、A.P、A.K），并计算C:N、C:P等化学计量比。土壤质量指数（SQI）通过主成分分析构建最小数据集（MDS），包含SOM、pH、BD、TP和A.K五个指标，结合权重计算得出。作物产量及可持续性指数（SYI）用于评估系统稳定性。采用随机森林和结构方程模型（SEM）解析产量驱动因子。
3 结果
3.1 土壤容重、pH和有机碳对有机替代的响应
有机替代显著降低土壤容重（1.3–17.1%），其中GY和MC站点降幅最大。pH稳定在5.1–7.4之间。土壤有机碳（SOC）在有机替代处理下增幅显著（0.77–22.5%），且30%M效果优于15%M，尤其在KT和GY站点。
3.2 土壤全量及有效养分的响应
全量氮磷在施肥处理下较对照增加6.1–23.7%，但NPK处理的全量养分略高于有机替代。有效氮、磷、钾在15%M和30%M下提升显著（0.4–50.2%），其中15%M在YX、KT和GY站点表现更优。
3.3 土壤元素化学计量的变化
有机替代提高了C:N、C:P和N:P比值，尤其在初始比值较低的MC、GY和KT站点，化学计量趋于平衡。C:K、N:K和P:K比值亦随施肥增加，但部分站点（如YX）在30%M下出现钾相对不足。
3.4 土壤质量与作物产量的提升
SQI在有机替代下显著提高（31.5–335.6%），30%M处理增幅最大。小麦和玉米产量在施肥处理下最高提升251.3%，且30%M在多数站点产量及SYI均最优，但KT和MC站点15%M表现更佳。
3.5 相关性及驱动机制
随机森林显示SQI是产量的首要预测因子（小麦26.4%，玉米30.5%），其次为有效氮。SEM证实有机替代通过改善化学计量比、提升养分有效性和降低容重，间接增强SQI，进而驱动产量与稳定性。
4 讨论
有机替代通过促进团聚体形成、优化孔隙结构降低容重，并通过竞争吸附位点、有机酸活化等机制提升养分有效性。化学计量比的改善表明有机输入可矫正变性土的碳氮磷失衡，尤其对初始C:N低于10的站点作用显著。产量提升与SQI增强密切相关，且玉米对有机肥的响应优于小麦，可能与C4作物需肥特性匹配有机氮释放规律有关。站点异质性提示需根据本地土壤约束调整替代比例。
5 结论
在华北平原变性土区，15%-30%有机替代化肥可同步改善土壤物理结构、养分循环及化学计量平衡，提升土壤质量与作物生产力。30%替代率为最优策略，为实现该区域农业可持续集约化提供了有效途径。
