长期保护性耕作通过优化半干旱区小麦根系吸水与蒸散组分提高水分利用效率

保护性耕作是旱地农业系统的核心策略，可显著提升旱地作物水分生产力，但其驱动根系吸水与蒸散(ET)组分优化以提升高效用水的具体机制尚不明确。为此，研究人员依托中国西北半干旱区长期保护性耕作试验平台，开展连续两个生长季的春小麦田间试验，设置常规耕作(CT)、免耕无秸秆还田(NT)、常规耕作秸秆还田(CTS)、免耕秸秆还田(NTS)4种处理，结合稳定氧同位素(18O)技术分析根系吸水来源，量化土壤蒸发(E)与植物蒸腾(T)，并评估其与产量及水分利用效率(WUE)的关联。结果表明，随生育进程推进，小麦根系吸水层位逐渐加深，NTS处理根系可从更深土层获取水分。蒸腾速率呈先升后降的动态变化，峰值出现在拔节至开花期。相较于CT，NTS、CTS与NT处理在两生长季内分别使蒸腾量增加21.7%、13.9%与7.2%，显著降低蒸发量，从而使蒸腾占蒸散比值(T/ET)较CT分别提升24.7%、17.0%与11.1%。研究证实，保护性耕作不仅能促进根系从深层土壤吸水，还可通过增加T、减少E优化ET组分，进而提高小麦WUE；其中免耕与秸秆还田结合的NTS处理产生协同效应，进一步协同优化根系吸水与ET组分，实现籽粒产量与WUE的最大幅度提升。该机制的阐明深化了对保护性耕作下小麦高效用水规律的认识，为半干旱区适宜耕作模式的选择提供了科学依据。

该研究针对中国西北半干旱区降水有限且分布不均、旱地农业水资源约束突出的现实背景展开。该区域耕地占全国半数以上，是保障粮食安全的关键区域，但降水季节性集中且总量不足，导致作物生产力与水分利用效率(WUE)频繁受限。现有研究虽已证实保护性耕作可改善土壤结构与蓄水能力，但对其如何通过调控根系吸水模式与蒸散(ET)组分（蒸发E与蒸腾T）的分配比例来提升WUE的内在机制仍缺乏系统性解析，尤其缺少基于同位素技术的定量化证据。为此，研究人员依托甘肃农业大学定西旱农试验站始于2001年的22年长期定位试验，于2023—2024年开展春小麦田间试验，设置常规耕作(CT)、免耕无秸秆还田(NT)、常规耕作秸秆还田(CTS)、免耕秸秆还田(NTS)4种处理，旨在揭示不同耕作与秸秆管理模式下小麦根系吸水特征、ET组分定量分配规律及其与产量、WUE的耦合机制，为半干旱区小麦高产节水栽培提供理论支撑。研究成果发表于《Frontiers in Plant Science》。

关键技术方法包括：依托长期定位试验平台，采用随机区组设计设置4种耕作处理，连续两年采集0–200 cm土层土壤、小麦茎秆及降水样品，利用真空冷凝提取法获取水样，通过稳定氧同位素比率质谱仪测定δ¹⁸O值；基于土壤水均衡与同位素质量守恒原理，结合同位素分馏方程定量拆分蒸发与蒸腾组分；采用经典统计学方法分析处理间差异，明确耕作措施对水文过程与作物产量的调控效应。

研究结果如下：

3.1 土壤含水量(SWC)

保护性耕作显著改善土壤水分状况，秸秆还田处理(CTS、NTS)的SWC显著高于CT，NT与CT无显著差异。2023年播种期，CTS与NTS使0–10 cm SWC分别提升24.7%与59.3%；生育中后期，深层土壤水分亦得到显著补充。2024年各生育期，CTS与NTS的SWC均高于CT，增幅随生育进程逐渐扩大，表明秸秆还田可有效抑制休闲期蒸发，提升播前底墒并促进生育期水分入渗。

3.2 小麦根系吸水

δ¹⁸O剖面显示，土壤水同位素呈表层富集的垂直梯度分布，CT的同位素富集程度显著高于CTS与NTS。根系吸水层位随生育期推进逐渐加深：拔节期CT、NT、CTS根系主要吸收10–20 cm水分，NTS为20–30 cm；开花期前三者吸水层位为40–50 cm，NTS为50–60 cm；灌浆期CT与NT为60–80 cm，CTS为80–100 cm，NTS达100–110 cm，证实NTS可促进根系向深层延伸以获取稳定水源。

3.3 蒸腾(T)与蒸腾占蒸散比值(T/ET)

蒸腾动态呈单峰曲线，峰值出现在拔节至开花期。全生育期NTS、CTS、NT的蒸腾量较CT分别显著增加21.7%、13.9%、7.2%，T/ET分别提升24.7%、17.0%、11.1%。分阶段看，NTS在各生育期均显著提高T与T/ET，CTS与NT的提升效应主要集中在苗期与后期，表明保护性耕作通过抑制无效蒸发将更多水分转化为生产性蒸腾。

3.4 小麦产量与水分利用效率(WUE)

保护性耕作显著增加单位面积穗数，NTS、CTS、NT较CT平均提升27.3%、16.9%、12.6%。产量构成因素存在年际差异，但所有保护性耕作处理均显著提高产量与WUE：NTS、CTS、NT的产量较CT平均提升50.0%、27.8%、13.8%，WUE提升53.7%、28.0%、21.7%，且NTS的增产增效优势显著优于单一措施。

讨论部分指出，秸秆还田通过物理覆盖阻断地表蒸发并改善土壤结构，是提升蓄水能力的核心；免耕则通过维持土壤毛细管连续性促进根系下扎，二者协同的NTS处理可实现水分保蓄与高效利用的最优平衡。深层根系吸水保障了生殖生长阶段的水分供应，配合T/ET的提升，共同驱动了WUE的显著增加。研究结论强调，长期免耕结合秸秆还田是半干旱区小麦可持续生产的推荐模式，但需注意长期秸秆还田可能引发的土传病害风险，未来应加强对化感物质积累的监测以保障模式可持续性。