有机肥调控砂土小麦水分-养分协同提升干旱胁迫恢复力的机制研究

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Wheat Yield Response to Organic Fertilisers Depends on Drought Timing in a Sandy Soil

本研究通过120天控环境试验，揭示了堆肥与羊粪及其复配施用对砂土小麦干旱适应性的调控机制。研究发现，早期干旱（分蘖期）胁迫下，堆肥主导的处理（CM100、CM75SM25）通过提升土壤持水性（田间持水量增加12%–24%）、促进根系氮吸收（提高2.6–3.5倍）和维持籽粒氮利用效率，使产量恢复幅度达对照的2.3倍；而羊粪富集处理（SM100）虽增强磷吸收，但磷利用效率较低。多元路径模型（PLS-PM）进一步证实，土壤田间持水量通过改善微生物氮固持、氮磷有效性等间接驱动产量形成。本研究为砂质旱作区小麦抗旱增产的有机培肥策略提供了理论依据。

　　

1 引言

21世纪末，全球干旱事件频率、持续时间和强度预计将加剧，澳大利亚严重干旱发生率预计从2030年的28%升至2090年的55%。干旱通过破坏土壤-植物水分关系、微生物活性和养分循环威胁农业生产力。砂质土壤由于通气性强、排水快，易流失有机质，加剧作物对干旱的敏感性。尽管干旱驱动的养分失衡已被广泛认识，但干旱发生时间（作物不同生育阶段）对上述过程的影响尚不明确。

有机肥（如堆肥CM、羊粪SM）可通过改善土壤结构、养分动态、持水能力和阳离子交换量增强作物抗旱性。堆肥富含稳定态有机氮，矿化释放缓慢；羊粪则提供高水溶性无机磷，但二者在干旱时序下的集成效应，尤其是对土壤-植物水分-养分耦合机制的影响，仍有待阐明。

2 材料与方法

试验在澳大利亚南澳大利亚州亚马拉伊地区采集的砂土（93.1%砂粒）中进行，设置6种有机肥处理：不施肥（NA）、100%羊粪（SM₁₀₀）、25%CM+75%SM（CM₂₅SM₇₅）、50%CM+50%SM（CM₅₀SM₅₀）、75%CM+25%SM（CM₇₅SM₂₅）和100%堆肥（CM₁₀₀），施肥量为37.5 t·ha^–1。水分处理包括全生育期正常灌水（75%WHC）、早期干旱（分蘖期20 DAS起保持35%WHC）和晚期干旱（抽穗期60 DAS起保持35%WHC）。测定指标包括农艺性状、土壤养分、微生物量碳氮磷、水分动态等。

3 结果

3.1 农艺性状、产量与品质

有机肥显著提高小麦株高、分蘖数、穗数、穗长、生物量与籽粒产量（p?<?0.001）。早期干旱下，CM₁₀₀与CM₅₀SM₅₀处理的籽粒产量比对照增加1.9–2.3倍，而晚期干旱仅增加1.4倍。堆肥富集处理（CM₇₅SM₂₅、CM₁₀₀）在早期干旱下提升根系吸氮量2.6–3.5倍，并维持较高的籽粒氮利用率；羊粪处理则显著提高磷吸收，但磷利用效率低于堆肥处理。早期干旱下，CM₅₀SM₅₀使土壤有机碳（SOC）增加90%，植物有效水提高21%。

3.2 养分吸收与利用效率

早期干旱下，CM富集处理（CM₇₅SM₂₅、CM₁₀₀）显著增加根系氮吸收，晚期干旱则以地上部氮积累为主。羊粪处理（SM₁₀₀、CM₂₅SM₇₅）在正常水分和干旱条件下均显著提升地上部磷吸收（1.6–3.5倍）。氮获取效率在CM富集处理下最高（7%–13%），而磷利用效率在晚期干旱下普遍降低。

3.3 土壤养分循环与微生物量

有机肥降低土壤铵态氮，提高硝态氮和矿质氮含量，其中CM₇₅SM₂₅与CM₁₀₀在晚期干旱下使矿质氮增加33%–56%。羊粪处理显著提升土壤有效磷2.5–3.9倍。早期干旱下，CM富集处理使微生物量氮（MBN）提高8.1倍，微生物量磷（MBP）在SM处理下增加2.2–2.8倍。

3.4 土壤化学性质与水分动态

CM与SM复配处理提高土壤pH 1.0–1.8单位，电导率（EC）提升2.0–2.4倍。CM₅₀SM₅₀与SM₁₀₀显著增加田间持水量（12%–24%）、植物有效水（8%–21%）和永久萎蔫点（75%–84%）。所有有机肥处理均诱导轻度至强土壤憎水性（水滴穿透时间延长至90–180 s），可能通过延缓渗透促进水分均匀分布。

3.5 多变量分析

偏最小二乘路径模型（PLS-PM）显示，田间持水量通过正效应影响土壤pH与EC（路径系数=0.26）、养分有效性（0.47）和微生物量（0.24），并直接调控植物有效水（0.98）和籽粒产量（2.47）。主成分分析（PCA）进一步表明，干旱处理下土壤有机碳、籽粒蛋白和氮磷吸收是驱动产量恢复的关键因子。

4 讨论

早期干旱下，CM与SM复施通过提升土壤持水性、促进根系氮吸收和微生物氮固持，显著缓解产量损失；而晚期干旱下，作物生理功能衰退限制修正效果。堆肥主导处理优化氮磷利用效率，羊粪则可能引发磷奢侈吸收。土壤憎水性虽短暂延缓水分入渗，但可能促进根区水分再分布。

5 结论

堆肥与羊粪复配（CM₅₀SM₅₀、CM₇₅SM₂₅）在早期干旱下通过协同提升水分保持、氮磷利用效率及微生物活性，增强砂土小麦抗旱性，为干旱区小麦可持续生产提供了管理依据。