《Agricultural Water Management》：Optimizing subsoiling depth to enhance soil water storage and annual crop water productivity in wheat-maize cropping system
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本研究针对华北平原小麦-玉米轮作系统季节性水分供需错位问题，通过设置25-40 cm不同深松梯度，系统解析了深松深度对土壤结构、水力特性及周年水分生产率的调控机制。结果表明35 cm深松(ST35)可显著降低土壤容重(BD)4.83-7.78%，提高总孔隙度(TP)11.61%，使玉米季土壤贮水量(SWS)提升30%，并通过跨季节水分运移效应使小麦播种期SWS增加59.49%，最终实现周年作物水分生产率(CWP)提高14.89%。该研究为华北平原水资源高效农业提供了优化深松的技术途径。
在华北平原这片中国重要的粮食生产基地，冬小麦-夏玉米一年两熟制是主导的种植模式。然而，这种高效的耕作制度正面临严峻的水资源挑战。每年作物生长需要700-1000毫米的水分，但该地区年平均降水量仅550-650毫米，且65%的降雨集中在夏季玉米生长季，导致冬小麦季节常遭遇干旱威胁。更棘手的是，长期传统耕作形成了坚硬的犁底层，阻碍根系下扎和水分下渗，如同在土壤中设置了一道"防水层"，使夏季丰沛的雨水无法有效储存以供干旱的小麦季节使用。
面对这一难题，山东农业大学的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了一项为期两年的深入研究。他们想知道：能否通过调整深松深度这一关键耕作参数，打破犁底层，优化土壤结构，从而提升土壤的"蓄水能力"，实现降水资源的跨季节调控，最终提高作物水分利用效率？
研究人员在山东莱阳试验基地设置了四种耕作处理：常规耕作25厘米(CT25)作为对照，以及30厘米(ST30)、35厘米(ST35)和40厘米(ST40)三种深松深度。通过系统监测土壤物理性质、水力特性和作物生长指标，揭示了深松深度对小麦-玉米周年系统的综合影响。
关键技术方法包括：采用环刀法测定土壤容重(BD)和总孔隙度(TP)；使用定水头单环入渗仪测量土壤稳定入渗率(SIR)；通过质量法测定土壤饱和含水量(θs)和田间持水量(FC)；基于水分平衡法计算作物实际蒸散量(ETc act)；运用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析各因素对作物水分生产率(CWP)的直接效应。
3.1 深松深度对土壤容重和总孔隙度的影响
深松处理显著改善了土壤结构，效果随深度增加而增强。ST35和ST40在0-40厘米土层平均降低土壤容重5.85-6.04%，提高总孔隙度8.17-11.47%。值得注意的是，ST40由于过深松土导致部分大孔隙坍塌，其改善效果反而略低于ST35，表明35厘米是打破犁底层的最优深度。
3.2 深松深度对土壤水力特性的影响
在土壤入渗性能方面，ST35表现出色，使土壤稳定入渗率提高49.84%。更重要的是，ST35和ST40显著提升了土壤持水能力，田间持水量增加18.19-27.88%，饱和含水量提高18.85-22.60%。这种改良的土壤水库功能直接体现在土壤贮水量的变化上——深松处理在玉米成熟期维持了更高的贮水量，为后续小麦播种储备了宝贵的水分资源。
3.3 深松深度对谷物产量、蒸散量和作物水分生产率的影响
深松通过优化土壤环境促进了作物生长。ST35和ST40使小麦有效穗数增加13.7-16.1%，千粒重提高6.4-8.5%，最终实现产量提升14.2-15.9%。尽管深松增加了作物蒸散量，但由于产量增幅更大，作物水分生产率显著提高12.0-14.9%。路径分析进一步揭示，玉米季土壤贮水量对后续小麦季水分利用存在显著正向影响(path系数=0.58)，证实了深松的跨季节水分调控作用。
研究结论表明，35厘米深松是华北平原小麦-玉米系统的最优耕作深度。该深度能有效打破犁底层而不破坏土壤结构，创建了适宜的孔隙网络，提高了土壤入渗性能和持水能力。深松处理的土壤在玉米生长季捕获并储存了更多的夏季降雨，这些储存的水分在小麦播种期释放，缓解了季节性干旱压力。这种"夏雨冬用"的水分调控模式显著提升了周年水分利用效率，为水资源短缺地区的农业可持续发展提供了技术支撑。该研究不仅明确了深松深度的农学效应，还通过机理解析为合理耕作制度设计提供了理论依据，对保障粮食安全和水资源可持续利用具有重要实践意义。
