在农业生产领域，科学施肥是推动农作物产量提升、保障农业生产力的重要措施^［1］。然而，在实际生产中因化肥过量施用（尤其是N肥）及施肥决策等影响，这一重要措施的应用效果被严重制约，不仅导致农业生产成本增加，经济效益降低，还会引发N肥利用率低下、土壤肥力衰退、作物产量和品质降低、农田碳（C）、N循环过程受限等资源与生态问题^［2-3］，严重削弱了农田生态系统的循环功能与可持续性，对农业生态环境构成潜在压力。

保护性耕作是一种保护农田生态系统、提高农业生产力、改善农业环境与可持续性发展的耕作方式，能够协调土壤中水、肥、气、热的关系，提高土地资源的利用率，优化土壤环境，促进农田生态系统的良性循环^［4-5］。尤其是以作物秸秆覆盖与免耕相结合的保耕技术是目前干旱区缓解农业旱情、保障农作物增产增收、改善农业生态环境的重要措施^［6-9］。近年来，保护性耕作技术在中国黄土高原、东北及华北等重点区域得到了广泛的实施，其在促进作物养分吸收及干物质积累、调控土壤有机碳固持能力与矿化、改善土壤水肥（N）资源利用以及促进产量形成等方面产生显著的作用^{［7，10-11］}。

干旱绿洲区（如河西走廊绿洲、新疆绿洲等）是中国西北地区重要的农业生产基地，尤其是河西走廊绿洲张掖市是国家级杂交玉米种子生产基地。然而，干旱绿洲农业生产受两大因素制约：一是降水少、蒸发强，农田依赖灌溉但水资源总量有限，且传统灌溉模式下水资源利用效率极低，供需矛盾加剧^［12］；二是长期传统耕作（如翻耕）破坏土壤团粒结构、加剧水分蒸发，导致土壤保水保肥能力下降、肥力退化，同时氮肥常存在过量施用或不足减产问题，造成作物产量波动大、抗逆性弱，还引发土壤酸化、面源污染（硝态氮淋失导致地下水硝酸盐超标）等，进一步加剧了土壤肥力衰退^［13-15］。近年来，尽管绿洲农田通过灌溉和施肥措施土壤质量得到了显著改善，但因长期的常规管理措施却限制了改良效应。研究表明，虽然荒漠开垦为农田60 a后0~40 cm耕层土壤碳库扩大了4.2倍，氮储量和磷储量增加了1.2~6.5倍，但是土壤C储量和养分储量均随耕作年限的增加呈指数变化模式，且土层碳库和氮储量及表层土壤中的磷储量则停止增长^［16］。由此可知，干旱区绿洲农田的常规管理措施中应适当引入保护性耕作措施并合理施肥，以实现绿洲农田土壤的可持续生产。目前，针对干旱绿洲区保护性耕作与肥料配施的研究仅聚焦于少耕及有机肥配施、禾豆间作与施氮以及免耕绿肥覆盖等措施对土壤理化特性、作物产量形成、水氮利用以及土壤碳排放的影响等方面^［17-19］，依然缺乏对保护性耕作（少耕）-氮肥-作物-土壤系统层面的深入认识，限制了绿洲农田可持续生产中保护性耕作与氮肥配施综合功能的发挥及其应用。

基于此，本研究结合河西走廊荒漠绿洲覆膜轮耕的传统耕作模式与氮肥优化管理需求，设置绿洲农田周期性覆膜（第1年/第4年）与少耕（第2年/第3年）配施氮肥处理，系统解析少耕与氮肥配施在覆膜周期内对玉米产能提升以及土壤肥力改善的协同调控效应，避免单一耕作或施肥试验的局限性，以期为绿洲农业的可持续发展提供理论依据。

研究区地处甘肃省河西走廊中部、黑河流域中游的临泽县北部荒漠绿洲边缘，为典型的荒漠绿洲灌溉农业区。区域多年平均降水量仅为116.8 mm，多年平均蒸发量高达2 390 mm；年平均气温为7.6 ℃^［20］。试验场地建在中国科学院临泽内陆河流域研究站（临泽农田生态系统国家野外科学观测研究站，39°21′N、100°02′E，海拔1 400 m），供试土壤为灌溉风沙土，土壤容重为1.64 g·cm^-3，土壤pH值为7.46，土壤结构较差。耕层土壤（0~40 cm）有机质含量低下（3.98 g·kg^-1），且随着土层深度加深其有机质含量逐渐减少。耕作层0~40 cm土壤深度碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为45.1、22.5 mg·kg^-1和179.5 mg·kg^-1，土壤养分含量和持水能力较差，水生产力低下。

试验品种为“金张掖905”，是由张掖市农业科学研究院以自交系ZY08为母本、ZY15为父本进行组配选育的玉米新品种。供试肥料：氮肥为含氮量≥46%的尿素，磷肥（P₂O₅）与钾肥（K₂O）为总养分质量分数≥86%（其中P₂O₅≥52%，K₂O≥34%）的磷酸二氢钾。

采用随机区组试验设计，以3 a为1个循环周期（覆膜1 a→免耕2 a→重复覆膜），在周期性覆膜条件下，以传统翻耕覆膜（2022—2024年）不施氮肥为对照（CK），设置传统翻耕（Traditional tillage，TT）覆膜施氮肥（2022—2024年）、免耕不覆膜（No-tillage，NT）1 a（2023年）和免耕不覆膜2 a（2023年，2024年）3种处理，各处理设置3种施纯氮水平：125 kg·hm^-2（N1）、250 kg·hm^-2（N2）和375 kg·hm^-2（N3），整个试验共12个处理，各处理6次重复，共72个试验小区（小区面积4 m×4 m=16 m²）。试验小区为用油毡、聚乙烯棚膜、砖及水泥修筑而成的防侧渗无底池，侧壁深1.5 m。纯氮配施方案参考依据：在河西走廊绿洲玉米生产区，当地玉米常规纯氮施用量维持在225 kg·hm^-2左右^［21］，鉴于免耕模式下玉米根茬还田后需施一定量无机氮肥以避免玉米根茬分解时与土壤微生物争氮而造成土壤氮素亏缺，故确定本试验纯氮中间施用量为250 kg·hm^-2。通过中间量减50%（125 kg·hm^-2）和加50%处理（375 kg·hm^-2）3个纯氮配施水平。为消除磷钾养分限制对试验结果的干扰，本试验磷钾养分供应采用统一标准，其中磷酸二氢钾施用量为70 kg·hm^-2，并全部作为底肥一次性施用，以保障作物生育期内磷钾养分的稳定供应。

在2022年3月下旬，先将腐熟牛粪（60 t·hm^-2）和磷酸二氢钾（70 kg·hm^-2）作为基肥混合后翻入土壤（深度：0~30 cm），确保基肥与土壤充分融合。2023—2024年仅施用磷酸二氢钾（70 kg·hm^-2）作为基肥。分别在2022、2023年和2024年的4月5日进行播种（深度3.0~3.5 cm），所有处理均采用平地覆膜（黑膜，宽60 cm，厚0.01 mm）双行单株穴播种植方式，株距（25 cm）×行距（50 cm），种植密度为79 000~81 000株·hm^-2，确保玉米生长期间有合理的空间分布。2022—2024年整个试验期间均采用滴灌方式，以河西走廊绿洲当地常规灌溉制度为参考基础，依据0~30 cm耕层土壤含水量（田间持水量的60%~70%）和玉米生育期耗水量确定基础灌溉量，再结合生育期降水情况及玉米长势进行微调，实现适时定量灌溉（7月适当增加灌溉频率，其余时间段则减少灌溉频率）。与此同时，在各处理组玉米关键生育期以水肥一体化方式施入氮肥（表1）。玉米收获时间统一在2022、2023、2024年的9月初，试验期间进行常规养护管理工作，包括间苗（去除弱苗、病苗）、清除杂株以及田间除草等，为玉米生长营造良好环境。此外，各生育时期灌水及施肥数据详见表1。

于2022年4月初翻耕覆膜前及2022、2023年和2024年玉米收获后，在各处理样地采用环刀法采集0~40 cm耕层土壤样品。将采集的土壤样品（五点法）经烘干去除水分后称重，测定土壤含水量（SWC）；通过烘干后干土质量/环刀容积计算土壤容重（SBD）；通过土壤总体积（环刀容积）-土壤固体颗粒体积（烘干土质量/土壤比重）来计算土壤总孔隙度（STP），土壤比重取2.61 g·cm^-3。

将收集的耕层土壤样品在阴凉处晾干并过筛（0.5 cm）后，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量（SOC），采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量（TN），采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量（Alkali hydrolyzed nitrogen，AN），采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量（Available phosphorus，AP），采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量（Available potassium，AK）。

分别于各种植年份的各试验小区内，随机选取5个2 m×2 m的样方，在玉米成熟后测定株高后，收获各样方内玉米后称取茎秆鲜生物量，最后经脱粒、除杂、晾晒至标准水分（14%）后称重，计算千粒重，测定单位面积种子产量。

水分利用效率（WUE，kg·hm^-2·mm^-1）=玉米种子产量（kg·hm^-2）/全生育期内总耗水量（WC，mm），其中全生育期总耗水量（WC）采用田间水量平衡法计算；氮肥利用率（NUE，%）=（施氮处理玉米吸氮总量－不施氮处理玉米吸氮总量）/氮素总量×100^［2］。

本研究所得数据采用SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析（ANOVA），各处理间的多重比较采用最小显著极差法（LSD法），且以P<0.05作为差异显著性判定标准。采用多元线性回归分析构建玉米种子产量与施氮量二者间的量化关系模型，试验结果图表均采用Excel 2017软件绘制。

由表2可知，翻耕施氮肥第1年（2022年）后，各处理土壤容重从1.58 g·cm^-3降至1.38 g·cm^-3，土壤总孔隙度从35.6%升至42.6%，其中以CK-N2处理效果最明显（表2）。翻耕施氮肥第2年（2023年）和第3年（2024年）后，各处理土壤容重和土壤总孔隙度的变化趋势与翻耕施氮肥第1年一致。随着施肥年限的增加，CK-N2处理土壤容重和土壤总孔隙度效果最好，且保持相对稳定，而CK-N1和CK-N3处理土壤容重升、孔隙降的趋势逐年加剧。

少耕施氮肥后第1年（2023年），土壤SBD和STP以NT-N2处理效果最明显。少耕施氮肥第2年（2024年）后，各处理土壤SBD和STP的变化趋势与少耕施氮肥第1年相一致。随着施肥年限的增加，NT-N2处理土壤SBD和STP效果最好且保持相对稳定，而NT-N1和NT-N3处理土壤也表现出容重升、孔隙降的变化趋势。综合来看，少耕施氮肥2年后对土壤SBD和STP的调控效果与翻耕施氮肥相比差异不著性。

由表3可知，翻耕施氮肥后土壤SOC、TN含量以及C∶N均随施肥年限和施氮量的增加显著降低。翻耕施氮肥第1年后，各处理土壤SOC和TN含量随着施氮量的增加显著增加，而土壤C∶N则先增大后减小（变化范围为8.94~10.65），其中以CK-N2处理效果最明显。翻耕施氮肥第2年和第3年后，各处理土壤SOC、TN含量和C∶N的变化趋势与翻耕施氮肥第1年相一致。少耕施氮肥后土壤SOC、TN含量以及C∶N一般随施肥年限和施氮量的增加显著增加。少耕施氮肥后第1年，各处理土壤SOC和TN含量随着施氮量的增加显著增加，而土壤C∶N则先增大后减小（变化范围为10.38~12.67），其中以NT-N2处理效果最明显。少耕施氮肥第2年后，各处理土壤SOC、TN含量和C∶N的变化趋势与少耕施氮肥第1年相一致。

少耕施氮处理耕层土壤SOC、TN含量和C∶N的变化显著好于翻耕施氮处理，且随着少耕年份和施氮量的增加其改善效果不断加强。与翻耕施氮肥第3年相比，少耕施氮肥第2年后各处理土壤SOC、TN含量显著增加了56.1%~62.7%和8.6%~15.9%，土壤碳氮比维持在12.55~14.06。

由表4可知，翻耕施氮肥后土壤AN、AP以及AK含量均随施肥年限的增加呈缓慢降低的趋势。与翻耕施氮肥第1年相比，翻耕施氮肥第3年后各处理土壤AN、AP以及AK含量分别显著降低了11.6%~14.1%，8.1%~14.8%和10.7%~11.7%。少耕施氮肥后土壤AN、AP以及AK含量均随施肥年限和施氮量的增加显著增加。与少耕施氮肥第1年后相比，少耕施氮肥第2年后各处理土壤AN、AP以及AK含量显著增加了9.4%~11.2%，9.3%~17.1%和7.2%~8.3%。与翻耕施氮肥第3年后相比，少耕施氮肥第2年后各处理土壤AN、AP以及AK含量显著增加了32.8%~38.4%，30.2%~34.6%和21.4%~26.5%。

翻耕施氮肥与少耕施氮肥对不同生育期玉米株高产生差异化影响（表5）。苗期，各试验年份翻耕施氮肥各处理同少耕施氮肥各处理玉米株高差异不显著，但是翻耕施氮各处理玉米株高显著高于少耕施氮处理。与少耕施氮处理第1年和第2年相比，苗期翻耕施氮各处理玉米株高显著增加了14.0%~15.1%和13.9%~17.0%。拔节期，各试验年份翻耕施氮肥各处理同少耕施氮肥各处理玉米株高随着施氮量的增加显著增加，且少耕施氮各处理玉米株高显著高于翻耕施氮处理。与翻耕施氮处理第2年和第3年相比，拔节期少耕施氮各处理玉米株高显著增加了6.3%~9.3%和4.5%~7.6%。灌浆期，少耕施氮处理株高与翻耕施氮肥处理相比优势明显，株高差异持续扩大。与翻耕施氮处理第2年和第3年后相比，灌浆期少耕施氮各处理玉米株高显著增加了5.5%~7.4%和6.9%~7.4%。

翻耕施氮肥（TT-N2）与少耕施氮肥（NT-N2）均有利于玉米茎秆鲜产量和种子产量的提高，而过量施氮（TT-N3，NT-N3）则显著抑制其产量的提高（表6）。少耕施氮处理玉米茎秆鲜产量和种子产量显著高于翻耕施氮处理，且随着少耕年份和施氮量的增加增产效果不断增加。与翻耕施氮处理第2年和第3年相比，少耕施氮处理第1年和第2年玉米茎秆鲜产量显著增加了7.4%~18.2%和10.4%~26.2%，玉米种子产量显著提高了9.1%~11.8%和22.6%~27.1%。

各试验年份翻耕施氮处理同少耕施氮处理玉米WUE随着施氮量的增加显著增加。少耕施氮处理（NT-N2）玉米WUE显著高于翻耕施氮处理，且随着少耕年份和施氮量的增加WUE不断增加（表7）。与翻耕施氮处理第2年和第3年相比，少耕施氮处理第1年和第2年玉米WUE显著增加了23.9%~34.9%和39.2%~45.4%。各试验年份翻耕施氮处理同少耕施氮肥各处理玉米NUE随着施氮量的增加先增加后减低。少耕施氮处理（NT-N2）玉米NUE显著高于翻耕施氮处理，且随着少耕年份的增加NUE不断增加。与翻耕施氮处理第2年相比和第3年相比，少耕施氮处理第1年和第2年玉米NUE显著增加了10.1%~17.1%和14.5%~32.2%。

由图1可知，在传统耕作与少耕两种模式下，配施不同氮肥量时，玉米种子产量随施氮量呈现二次函数关系。适量施氮有利于玉米增产以及水氮的高效利用，而过量施氮会导致玉米种子产量下降。对比两种耕作模式与氮肥的配施效果可见，少耕配施氮肥模式要明显优于传统耕作配施氮肥模式（图1）。传统耕作施氮量（x）与玉米产量（y）的回归方程为y=-0.0001x²+0.619x（R²=0.9973），当x=309.5 kg·hm^-2时，可获得种子最高产量y=9.58 t·hm^-2。免耕1年施氮量（x）与玉米种子产量（y）的回归方程为y=-0.0001x²+0.0561x+1（R²=0.8625），当x=280.5 kg·hm^-2时，可获得最高种子产量y=8.87 kg·hm^-2。免耕2年施氮量（x）与玉米种子产量（y）的回归方程为y=-0.0001x²+0.0525x+1.90（R²=0.9545），当x=262.5 kg·hm^-2时，可获得最高种子产量y=9.10 kg·hm^-2。由此可知，少耕施氮量为262.5~280.5 kg·hm^-2时，可使玉米种子产量均达到最大。结合2年少耕模式下氮肥实际用量，玉米实际生产中建议施氮量控制在260~280 kg·hm^-2为宜。

在传统耕作模式下，土壤承受的高频率、高强度物理扰动，会直接引发土壤结构体崩解，导致土壤有机质库储量衰减，加剧土壤水分与矿质养分的淋溶及损失，破坏土壤生态系统的稳定性^［22］。而保护性耕作（少耕、免耕等）通过减少土壤扰动削减对土壤的物理干预强度，改善土壤结构，提升土壤有机质累积与固持能力，并且优化土壤-作物系统的养分供需平衡，促进作物对养分的吸收利用，修复和改善农田土壤生态环境^{［18，23-24］}。本研究中，少耕与氮肥配施对土壤SBD和STP的影响效果与翻耕施氮肥差异不显著（表2），且各少耕施氮处理土壤均表现出SBD升、STP降的变化趋势，其核心原因在于整个试验周期较短（3年），少耕积累的生物作用强度未达周期阈值；而且砂壤土由于黏粒少、有机质匮乏、团聚体稳定性差等特性，使少耕的“弱扰动效应”主导了土壤结构变化，且不同氮肥用量均未形成足够的结构改良效应，加之管理措施未适配少耕需求，导致少耕与氮肥配施无法发挥协同作用，最终共同导致土壤容重升、孔隙降的变化趋势。李倩等^［25］研究不同区域免耕和氮肥配施对土壤C、N含量的影响发现，黑土区免耕配施氮肥可显著提高0~60 cm土壤SOC和TN储量，而潮土区只能提升表层SOC含量，且不同区域免耕配施氮肥对土壤C∶N的调节效果存在差异。N'DriBohoussou等^［26］发现，保护性耕作（免耕、作物多样化等）配施氮肥可显著提升0~15 cm土层SOC和TN含量，且添加豆科作物残渣能有效调节土壤C∶N，这与本研究结果一致。本研究中，少耕配施氮肥提高了土壤SOC、TN以及土壤速效养分含量，并显著调节了土壤C∶N，其中以NT1-N2处理效果最明显（表3~表4），其原因是翻耕施氮肥对土壤扰动大，导致沙土地SOC易流失、TN淋溶严重，C∶N长期失衡；加之沙土地因砂粒含量高、黏粒与有机质含量低，对土壤速效养分的吸附与保蓄能力弱，养分易随水分淋溶或流失，不利于土壤肥力可持续提升；而少耕合理施氮（NT-N2）通过减少土壤扰动、促进生物残体分解并积累有机物质，实现土壤SOC与TN的长期协同增加的同时，使土壤C∶N维持在适宜范围。此外，少耕施氮通过减少土壤扰动维持土壤微生物群落稳定性、提升微生物的代谢功能以及保持微生物活性等促使土壤中有机物质分解以释放养分，增强了土壤中速效养分的固持与转化效率；并且氮肥的施用则在一定程度上减少了土壤中速效养分淋溶的同时，提高了速效养分的可利用性^［27-28］。

保护性耕作配施氮肥能够显著提升土壤的碳氮矿化特性，提高土壤的供氮能力，改善玉米的生理代谢特性，促进玉米生长并提升其产量，其中小麦季免耕玉米季旋耕结合氮肥配施的综合效果最优^［22］。李敖等^［29］对不同耕作方式（翻耕、免耕、深松）与氮肥配施对玉米生长及产量互作效应的研究表明，免耕配施氮肥（225 kg·hm^-2）不仅使土壤蓄水量较翻耕提高，而且可显著提高玉米叶面积指数、干物质积累量及产量。本研究结果表明，翻耕施氮肥与少耕施氮肥对不同生育期玉米生长产生显著的差异化影响（表5），其原因是沙土地保肥保水能力弱，翻耕与少耕施氮肥通过改变土壤养分淋溶/固定及水分稳定性等，对不同生育期玉米株高产生差异化影响。翻耕施氮肥对沙土地玉米株高的优势仅体现在苗期（短期养分高、结构疏松），但后期因养分淋溶流失、水分波动大，株高增长放缓；少耕施氮肥虽苗期株高偏低，但通过稳定的养分供给与水分环境在拔节期实现反超，且优势持续至灌浆期。本研究中，少耕施氮处理玉米茎秆鲜产量和种子产量显著高于翻耕施氮处理，且随着少耕年份和施氮量的增加其增产效果不断增加（表6），其原因是翻耕施氮肥仅在沙土地玉米苗期对茎秆生长有短期优势，但后期因养分淋溶流失、植株早衰，导致茎秆鲜产量与种子产量均偏低；少耕施氮肥通过全生育期稳定的养分供给与水分保障，实现茎秆后期持续积累、植株抗逆性提升，最终茎秆鲜产量与种子产量均显著高于翻耕施氮处理，且产量稳定性更优^［30-31］。此外，本研究中，在翻耕和少耕条件下，施氮肥与玉米种子产量均呈二次函数关系（图1），这说明玉米对氮肥的吸收利用存在临界阈值，这与彭彦珉等^［32］的研究结论一致。因此，生产实践中需合理施氮并改变传统耕作方式，发挥二者协同作用，推动玉米绿色高效生产。

在沙土地独特环境中，水分与氮素是制约作物生长的关键因素。翻耕施氮与少耕施氮通过改变土壤理化性质、影响养分与水分的动态变化，进而对作物的水分利用效率（WUE）和氮素利用效率（NUE）产生显著影响。王进斌等^［33］认为，深松耕和免耕配施氮肥能够增加耕层土壤的蓄水保墒能力，提高蓄水保墒效应，提高玉米的WUE及产量。彭彦珉等^［32］的研究表明，耕作方式和氮肥配施对玉米产量构成、氮素积累量和NUE均有显著影响，其中少耕（深松）和氮肥配施能够显著提高玉米产量、氮素积累量、氮肥农学效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力。Wu等^［34］的研究还表明，与传统耕作相比，少耕施氮显著提高了玉米产量和氮肥生产效率，减少了土壤中氮素盈余，在提升NUE的同时降低了环境风险。本研究结果表明，与传统耕作相比，少耕配施纯氮显著提高了玉米的WUE和NUE（NT-N2效果最佳），但WUE和NUE随着少耕年限和施氮量的增加而显著下降（表7），其原因是翻耕施氮肥在沙土地玉米种植中，因前期水分蒸发大、氮素淋溶严重，导致全生育期WUE与NUE均偏低；而少耕可提升耕层水分利用、促进有机氮矿化与土壤氮循环及硝化作用，氮肥施用能进一步增强耕层蓄水保墒效果，并强化土壤氮素矿化、氮循环与硝化作用，二者凭借良好的保水保氮能力、稳定的养分供应及高效的作物生理响应共同优化了玉米的水氮供应环境，助力玉米高效吸收水氮，最终提高其利用效率。这与卢怡宁等^［22］、Khan等^［35］和Adil等^［36］的研究结论一致。因此，在干旱绿洲沙土地玉米生产中，少耕施氮肥是提升水氮利用效率的优选模式，结合苗期土壤改良与精准水氮调控，可进一步挖掘其节水节肥增产潜力，助力干旱绿洲沙土地农业可持续发展。

在干旱绿洲区，耕作模式与氮肥配施对玉米增产效果及土壤理化特性有显著影响。对比传统耕作和免耕模式与氮肥的配施效果可见，少耕配施氮肥在提高土壤养分、促进玉米增产、提高WUE和NUE等方面的效果优于传统耕作配施氮肥，更能发挥耕作与施肥的协同作用，对玉米增产提效以及维持土壤生产力等具有重要意义。从节约水肥资源、环境可持续性、玉米高效栽培等角度考虑，并结合3年翻耕模式和2年少耕模式下氮肥施用量，少耕模式下玉米实际生产中建议施氮量控制在260~280 kg·hm^-2为宜，是兼顾产量与土壤可持续性的有效措施，适合在河西走廊干旱绿洲农田长期推广应用。