《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Combined effects of ridge-furrow plastic mulching and organic-inorganic fertilization on soil organic carbon and crop yield in dryland agroecosystem
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拉菲·乌拉（Rafi Ullah）| 张旭龙（Xu-Long Zhang）| 阿卜杜勒·卡迪尔·汗（Abdul Qadir Khan）| 穆罕默德·马克苏德·乌尔·雷赫曼（Muhammad Maqsood Ur Rehman）| 马海龙（Hailong Ma）| 郭朝礼（Chao
拉菲·乌拉（Rafi Ullah）| 张旭龙（Xu-Long Zhang）| 阿卜杜勒·卡迪尔·汗（Abdul Qadir Khan）| 穆罕默德·马克苏德·乌尔·雷赫曼（Muhammad Maqsood Ur Rehman）| 马海龙（Hailong Ma）| 郭朝礼（Chaoli Guo）| 李凤敏（Feng-Min Li）
中国甘肃省兰州市兰州大学生态学院草业改良与草地农业生态系统国家重点实验室，邮编730000
摘要
干旱地区的农业生态系统长期以来面临着土壤肥力低和有机质投入有限的挑战。尽管综合有机-无机养分管理（IOINM）已被广泛推广，但其与集水耕作系统的相互作用仍缺乏充分的量化研究。在中国黄土高原进行的一项为期十年的田间试验探讨了三种IOINM处理方式——仅施用无机氮肥和磷肥（NP）、氮肥与玉米秸秆结合（NPS）以及氮肥与羊粪结合（NPM）——与三种耕作方式（平地耕作（FT）、垄沟耕作（RF）以及垄沟耕作结合塑料薄膜覆盖（RFPM）之间的相互作用。耕作方式改变了有机改良措施的效果。结果表明，在RFPM处理下，土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）和作物产量的提升更为显著，这反映了改善的土壤水分条件和有机养分投入的互补效应，而非简单的非加性交互作用。RFPM-NPM处理组的增益最为显著，土壤SOC增加了40.6%，作物产量提高了225.2%；同时减少了RFPM-NP处理组中出现的过量硝酸盐积累现象。尽管总氮投入较高，但RFPM处理组下的硝酸盐残留量较低，这可能与在保水条件下生物氮需求增加和氮循环改变有关。相比之下，在RF和FT处理下，有机改良措施的效果不那么明显或不稳定。通过相关性分析评估了不同耕作方式和IOINM处理下土壤性质、SOC与作物产量之间的关系，而XGBoost特征重要性分析为这些关系提供了探索性的补充支持。总体而言，在RFPM条件下将羊粪纳入IOINM管理是一种高效的生产策略，能够提高SOC积累和作物表现。然而，长期可持续性将取决于如何减轻高作物产量带来的磷素流失问题，以及如何有效管理RFPM下的塑料薄膜残留物。
引言
干旱地区占地球陆地表面的约40%，养活着25亿人，但它们仍然极易受到气候变化和土壤退化的影响（Singh和Devi，2023）。这些地区的农业生产力一直受到土壤肥力低、有机质投入有限以及反复干旱压力的制约，因此需要采取可持续管理措施来确保长期粮食安全（Bünemann等人，2018）。严重的气候变化加剧了粮食供应问题，进一步凸显了可持续管理的必要性（Al-Dulaimi和Al-Tarjuman，2024）。预测表明，干旱的频率和强度可能会继续增加，到本世纪末可能导致当前生产力损失的翻倍（Yu等人，2024）。这一趋势在中国西北部尤为明显，自1989年以来，那里的农业用水需求增加了两倍，而水资源却一直在减少（Jin等人，2023；Zhang等人，2024c）。
土壤有机碳（SOC）是土壤肥力和农业生态系统恢复力的重要指标，它调节土壤结构、水分保持、养分循环和生物活动（Sarker等人，2018；Li等人，2023）。除了其农学效益外，SOC还是一个重要的陆地碳库，其规模大约是大气碳库的2.5倍，因此其动态变化对全球碳循环和气候调节至关重要（Batjes，2014；Kan等人，2020；Borah和Parmar，2024）。然而，SOC的积累和稳定性对不可持续的耕作方式、干旱和侵蚀极为敏感，这些因素可能引发快速的土壤退化（Sherrod等人，2018；Lal，2020）。
为应对这些挑战，人们广泛提倡采取优化耕作、覆盖和综合有机-无机养分管理（IOINM）等保护措施，以减少侵蚀、改善土壤水分、结构和有机质含量（Ghimire等人，2023；Demo和Asefa Bogale，2024）。其中，垄沟塑料薄膜覆盖（RFPM）在干旱地区被证明非常有效，它有助于保持土壤水分并调节土壤温度，从而提高玉米和马铃薯等主要作物的产量（Li等人，2016；Li等人，2019；Zhang等人，2024b）。在黄土高原，垄沟覆盖被认为是粮食安全的关键因素（Qian等人，2015）。同样，IOINM通过将有机改良剂（如羊粪、秸秆）与无机肥料结合，已被证明可以提高SOC的固定和养分有效性（Allam等人，2022；He等人，2025；Yang等人，2024）。然而，尽管RFPM和IOINM都已被广泛单独研究，但它们对半干旱农业生态系统中的土壤碳动态、养分循环和水分利用效率的长期交互作用仍不明确。
大多数现有研究集中在短期响应或表层土壤性质上，对于RFPM如何在较长时间内改变有机改良措施的效果仍存在关键空白。关于碳、氮和磷循环的耦合机制、SOC在易变部分和稳定部分之间的分配，以及综合管理措施下土壤水分与养分循环之间的相互作用，仍存在诸多不确定性。
为填补这些空白，我们在中国黄土高原进行了一项为期十年的田间试验，评估了三种IOINM处理方式——仅施用无机氮肥（NP）、氮肥与玉米秸秆结合（NPS）以及氮肥与羊粪结合（NPM）——在三种耕作方式（平地耕作（FT）、垄沟耕作（RF）和垄沟耕作结合塑料薄膜覆盖（RFPM）下的效果。有机改良措施是在协调的农业-畜牧业（CFAH）框架下施用的，代表了一种异地养分循环利用策略。我们假设：（1）基于CFAH的IOINM结合RFPM可以通过改善土壤水热条件和养分有效性来增强SOC的积累和稳定性；（2）IOINM可以改善关键土壤肥力指标，包括氮和磷的有效性及pH值；（3）这种综合措施可以增加干旱地区土豆-蚕豆轮作中的土壤水分储存和作物产量。本研究为集水耕作与综合养分管理的长期应用提供了新的见解，对干旱地区农业的可持续集约化具有启示意义。
章节摘要
研究地点描述
本研究分析的两年汇总数据集（2022–2023）源于2012年在甘肃省黄土高原建立的干旱农业生态观测与研究站启动的一项长期试验（坐标：104°24′E, 36°02′N；海拔2400米）。研究区域的地理和行政背景见图1a。尽管该试验自2012年以来一直持续进行，但当前分析主要关注最后两年的汇总数据。
经过十年的连续管理，对2022年和2023年的土壤数据进行汇总分析后发现，土壤有机碳（SOC）受到耕作方式的显著影响[F (2, 24.03) = 3.64, p < 0.05]，同时综合有机-无机养分管理（IOINM）也具有显著影响[F (2, 24.15) = 15.37, p < 0.001]（见图3a）。在土豆-蚕豆轮作中，SOC、SOC储量以及轻质有机碳（LFOC）的排序始终为NPM > NPS > NP，表明IOINM处理的稳定性不受耕作方式的影响。
本研究证明，采用基于CFAH的有机投入（羊粪和秸秆）结合无机氮肥的复合有机-无机养分管理（IOINM），尤其是在优化耕作方式（如垄沟耕作结合塑料薄膜覆盖RFPM）下，能够显著提高SOC和整体土壤肥力，从而支持了第一个假设。在半干旱地区的十年土豆-蚕豆轮作中，以羊粪为基础的处理方式（NPM）产生了最高的SOC、SOC储量和轻质有机碳含量。
郭朝礼（Chaoli Guo）： 数据分析。李凤敏（Feng-Min Li）： 监督、资源管理、项目协调、资金筹措。张旭龙（Zhang Xulong）： 文稿撰写–审阅与编辑、项目协调。阿卜杜勒·卡迪尔·汗（Abdul Qadir Khan）： 数据可视化、数据整理。穆罕默德·马克苏德·乌尔·雷赫曼（Muhammad Maqsood Ur Rehman）： 软件开发、数据管理。马海龙（Hailong Ma）： 数据分析。拉菲·乌拉（Rafi Ullah）： 文稿撰写–审阅与编辑、初稿撰写、方法学设计。
我们衷心感谢中国甘肃省自然科学基金会（资助编号：22JR5RA177）的慷慨资助，这为本研究的推进起到了重要作用。
我们确认本手稿的提交不存在任何利益冲突。所有作者均已审阅并同意发表该手稿。代表所有合作者，我们声明所描述的工作属于原创研究，此前未在其他地方发表，也未接受其他出版机构的审稿。
