《European Journal of Agronomy》：Multidimensional mechanisms of drip irrigation under plastic mulch in boosting maize yield in arid regions: Evidence from an eight-year fixed-site observation
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实现节水与增产协同效应是干旱农业的核心挑战。本研究通过2014-2021年西北旱区固定定位对比试验，揭示滴灌+地膜（DM）较传统沟灌+地膜（BM）增产12.85%的机理。结果表明DM通过改善微气候（净辐射增7.32%，土壤水分增21.60%）、提升根系碳氮比（C/N比增强）、增强冠层光合能力（GPP和NEP分别提高13.05%和15.58%），协同优化生物质分配模式（叶面积指数增26.47%），形成"环境-代谢-光合-分配"四维增效体系。
王春宇|李东浩|史新杰|吴谋松|蔡恩祥|王雅辉|李先
河南农业大学资源与环境学院，郑州450046，中国
摘要
在干旱农业中，实现节水与增产之间的协同效应仍然是一个核心挑战。虽然已知塑料膜下滴灌（DM）在玉米生产中的表现优于传统塑料膜下边界灌溉（BM），但这一优势背后的系统机制尚未通过长期观测数据得到全面解释。本研究通过在中国西北部进行的一项为期八年（2014–2021年）的固定地点比较田间试验来填补这一空白。结果表明，DM改善了田间微气候，使净辐射增加了7.32%，土壤含水量增加了21.60%。在植物水平上，DM提高了根、茎和叶中的碳氮比，表明氮利用效率提高，同化物向籽粒的运输能力增强。在群体水平上，DM提高了光合能力，使总初级生产力和净生态系统生产力分别增加了13.05%和15.58%。通过调节“源-流-汇”关系，DM优化了生物量分配模式，使更多的光合产物用于籽粒充实。结构方程建模显示，DM重新配置了产量形成途径，并缓解了环境压力限制。关键的是，叶面积指数在DM下的总效应最大，比BM高出26.47%。最终，DM下的产量增加了12.85%，这归因于田间微环境、碳氮代谢效率、冠层光合作用和生物量分配的协同改善，为在干旱农田中协调节水与增产提供了科学依据。
引言
粮食安全是国家稳定的基石，其根本基础是水资源安全。全球范围内，干旱和半干旱地区约占地球陆地面积的45%（Berdugo等人，2020年）。灌溉作为确保干旱地区粮食生产的重要农业措施（Kang等人，2017年；Yang等人，2018年），消耗了全球约70%的淡水（McDermid等人，2023年）。在这种背景下，中国仅拥有世界6%的淡水资源，却要养活全球20%的人口，因此面临着水资源供应与粮食生产之间的巨大压力。因此，如何在有限的水资源条件下提高粮食产量并加强粮食安全保障，是一个紧迫而艰巨的挑战。
从根本上说，作物产量的提高源于生物量的积累和分配。这一过程涉及复杂的生物化学和物理过程，包括光合作用、呼吸作用、养分转运和有机物分布，这些过程受到多种因素的影响（Gu等人，2019年；Lu等人，2019年）。具体而言，叶片是光合作用的主要场所，较大的叶面积可以增强光合作用活动，从而促进更多的生物量积累（Teixeira等人，2014年）。水分限制会通过影响资源捕获（特别是辐射截获和氮吸收）以及降低转化效率（如辐射利用效率）来抑制作物产量（Teixeira等人，2014年）。相反，充足的水分供应可以支持更深的根系发育，扩大吸收面积，从而促进地上生物量的积累（Ma等人，2025年）。此外，除了内在的遗传调控外（Su等人，2018年；Zhao等人，2019年），器官间的生物量分配还受到渗透调节的影响，后者控制着碳水化合物的移动（Plaut等人，2004年）。此外，适当的灌溉管理可以协调根系和茎部的生长，使更多的光合产物用于籽粒充实（Ma等人，2025年）。
玉米是全球最重要的粮食作物之一，对国家和地区的粮食安全具有战略意义。中国是全球第二大玉米生产国，因此进一步提高玉米产量对于稳定国内和国际粮食市场至关重要（Luo等人，2023年）。已有研究表明，优化田间管理可以将玉米产量提高50%以上（Mueller等人，2012年）。进行系统的田间试验可以为改进农田水分和养分管理策略提供实证基础（Ma等人，2017年；Coggins等人，2025年；Ren等人，2025年）。然而，许多当前的研究仍缺乏长期系统的观测和多维数据集（Xu等人，2015年）。这严重限制了对玉米产量提升机制的深入理解，并阻碍了精准农业框架的发展。
为了从“经验型农业”向“精准农业”转变，集成滴灌和施肥技术作为一种高效且集约化的田间管理方法，在中国得到了广泛应用。一项针对中国研究的荟萃分析表明，滴灌可使作物产量比传统方法提高约12%（Li等人，2021年）。当滴灌量达到常规滴灌量的100%-120%时，产量提升甚至可超过边界灌溉14.55%（Yang等人，2023b）。特别是在中国的干旱地区，塑料膜下滴灌（DM）的应用显示出比传统塑料膜下边界灌溉（BM）更大的增产潜力（Guo和Wu，2024年；Qi等人，2024年）。
尽管已经证明DM相比传统BM显著提高了玉米产量，但基于长期、固定地点观测数据的全面系统解释仍然不足。因此，我们在中国西北部一个典型的干旱地区进行了为期八年的固定地点田间试验。具体目标如下：（1）系统分析DM和BM系统之间的环境特征、碳通量动态以及生物量积累和分配模式的差异；（2）从多个角度阐明DM相比BM提高玉米产量的机制，并量化控制产量形成的调控途径。通过这项研究，我们旨在为干旱地区实现可持续农业用水和保障粮食安全提供坚实的理论和实践支持。
实验地点描述
这项长期田间试验在中国西北部甘肃省武威市的国家级节水农业科学观测与研究站（37°52'N，102°50'E，海拔1581米）进行。该地区具有温带大陆性气候，特点是强烈的太阳辐射、充足的阳光和相对较短的无霜期。安装了一个自动气象站（AWS）（Hobo，Onset Computer Corp，美国）以持续监测和记录数据
环境和生物参数的动态变化
图2显示了2014年至2021年间，DM和BM条件下玉米田中Rn、Ta、RH、VPD、SWC、Ts和LAI的年际平均变化，数据以播种后天数为单位绘制。两种灌溉方法下的总体趋势基本一致。值得注意的是，由于灌溉频率和量的不同，生长季节期间SWC的波动在DM和BM之间存在显著差异。具体而言，DM条件下的多年平均值分别为
DM相比BM提高玉米产量的机制
基于上述实证发现，本研究认为，DM在干旱中国西北部玉米田中实现的产量增加并非由单一因素导致，而是由一系列相互关联的物理、生理和生态过程的协同效应共同作用的结果。这些提高产量的机制可以系统归因于以下几个方面：
结论
基于中国西北部一个典型干旱地区八年的（2014–2021年）田间观测数据集，本研究系统揭示了DM使玉米产量比BM提高12.85%的全面机制。结果表明，这种产量提升源于物理、生理和生态过程的协同效应。首先，DM通过高频低量的灌溉优化了玉米生长的田间微气候条件
作者贡献声明
李先：写作 – 审稿与编辑，验证，监督。王雅辉：写作 – 审稿与编辑。蔡恩祥：写作 – 审稿与编辑。吴谋松：写作 – 审稿与编辑。史新杰：写作 – 审稿与编辑。李东浩：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，方法学，数据管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52379052）、河南省科技研究项目（262102110365、252102110225）、河南省科技研发计划联合资金（245200810033）、河北省教育厅科研项目（BJK2023070）以及河北省水资源科技规划项目（2022–39）的支持。
