高原酸性红壤玉米产量对优化施肥的响应机制：土壤质量与生态系统多功能性的协同提升

本研究通过七年田间试验揭示优化施肥（特别是秸秆还田配施化肥CSF）能显著改善高原酸性红壤的物理结构，激活氮循环酶活性，协同提升土壤质量指数（SQI）和生态系统多功能性（EMF），最终使玉米产量增长1.88-4.32倍，为红壤区农业可持续发展提供理论依据。

作物产量

不同施肥处理的作物产量在连续施肥第六年（2022年）逐渐趋于稳定（图S1）。与不施肥对照（CK）相比，常规化肥（CF）和优化施肥处理（CSF、COF和OF）均显著提高了作物产量（p < 0.05）（图2）。具体而言，CF、CSF、COF和OF分别使作物产量提高了3.52–3.60倍、2.96–3.89倍、4.10–4.32倍和1.88–3.08倍（p < 0.05）。此外，COF处理的作物产量最高（10.50 t hm⁻²），相较于其他施肥处理增产17.81–34.49%。

优化施肥对土壤质量的改善效应

在全球气候变化加剧的背景下，优化施肥策略已成为实现农业可持续集约化的关键途径。作为农业生产力的基础，土壤物理、化学和生物特性的综合改善对于提升土壤质量指数（SQI）至关重要。与基础土壤相比，除OF外所有优化施肥处理均显著提高了土壤肥力指标。值得注意的是，CSF处理在提升土壤速效氮（21.45–96.28%）、钾（60.82–92.15%）以及微生物生物量碳（5.72–37.03%）、氮（10.19–96.69%）和磷（12.69–16.61%）方面表现突出，并显著增强了与碳（45.29–70.87%）、氮（16.58–34.40%）和磷（17.27–31.58%）循环相关的酶活性，从而使SQI提升42.78–47.66%，生态系统多功能性（EMF）提升3.32–7.11倍。

结论

这项为期七年的定点观测研究发现，作物产量在施肥后的第六至第七年达到稳定。与CK相比，CF和优化施肥处理均显著提高了SQI、EMF和作物产量。值得注意的是，CSF和COF在显著减少氮输入的同时，达到了与CF相当的产量水平。相比之下，OF的增产效果显著低于CF，这与较低的微生物活性和有限的养分有效性有关。结构方程模型（SEM）和随机森林分析表明，优化施肥主要通过降低土壤容重和增强氮循环酶活性来提升SQI和EMF，而SQI与EMF之间的协同作用进一步促进了作物产量。