水資源在糧食生產和生態修復中的關鍵作用，特別是在頻繁出現的高溫、干旱等極端天氣條件下，威脅糧食生產，加速土地退化。研究指出，中國作為人均水資源低于世界平均水平的國家，農業用水已占全國總用水量的60%以上，但整體用水效率較低且區域差異顯著。尤其在山區和丘陵地區，土壤侵蝕和厚度減少嚴重影響了蓄水能力，加劇了干旱頻發和作物減產的風險。為應對這些挑戰，本文強調了通過優化農業管理實踐，提高用水效率，以緩解干旱脅迫，維持作物產量的重要性。

本次田間試驗在中國科學院鹽亭紫色土農業生態站進行，該站位于中國四川盆地中北部，海拔400-600m（東經105° 27’，北緯 31°16’）（圖 1）。該地區屬于中亞熱帶季風氣候，平均氣溫 17.3℃。年平均降水量為826mm，蒸發量為680 mm。降雨分布不均，約70%的年降水發生在夏秋季，季節性干旱頻繁，主要發生在春季和初夏。

圖1. 研究區域位置（a）、實驗地塊圖片（b）、地塊設計圖（c）、實驗地塊剖面圖（d）。

本試驗土壤為鈣質紫色土，來源于蓬萊鎮組，屬于中溫土壤質地，被稱為新土，占四川盆地紫色土總量的四分之一以上（圖1）。鈣質紫色土剖面主要發育在頁巖和泥巖中，常與不透水的砂巖互層。淺層紫色土的下伏基巖限制了根系生長，入滲的大部分水分往往會因地下徑流繞過根區而流失。試驗土壤性質相似，平均值為：pH 值為8.37，土壤有機碳 (SOC) 為5.80 g·kg⁻¹，全氮含量 (TN) 為0.80 g·kg⁻¹，容重為1.14 g·cm⁻¹，陽離子交換容量 (CEC) 為8.22cmol(+)·kg⁻¹，含沙量為17.28%，飽和水力傳導率為16.8mm·h⁻¹。坡耕地冬小麥 (Triticumaestivum L.) 與夏玉米 (Zea mays L.) 輪作常規種植制度已持續 50 余年。

現場監測共設計15個小區。小區尺寸為5mx 1.5m，坡度為6.5°，模擬長江上游坡耕地的平均梯田坡度。試驗設置了5種土壤厚度處理（20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm），每個處理重復3次。試驗小區通過無縫水泥墻和基座進行水文隔離，構建不同厚度的防滲混凝土盆并重新填筑原有土層。經過8年的常規耕作（小麥-玉米輪作）后，確保土壤剖面保持原狀。所有處理均采用相同的施肥管理（氮肥150 kg·hm⁻²，磷肥90 kg·hm⁻²，鉀肥36 kg·hm⁻²）和種植模式，玉米于2020年5月移栽，9月收獲，全程不灌溉。

采樣在干濕交替條件下進行。2020年7月9日（拔節期）、7月27日（孕穗期）、8月10日（抽雄期）、8月27日（成熟期）分別采集土壤和玉米莖樣品。7月9日和8月27日為干旱期，持續7-8天；7月27日和8月10日為降雨后的濕潤期。上午8-9點，從15個地塊的玉米莖第一節間采集樣品，同時在莖采樣位置附近的不同深度（0-100 cm）采集土壤樣品。部分樣品用玻璃瓶密封后冷凍保存，測定氫和氧穩定同位素；另一部分樣品帶回實驗室，在105℃烘干24小時至恒重，以確定土壤含水量。

表1. 采樣地塊詳情

本研究采用LI-2100全自動真空冷凝抽提系統（北京理加聯合科技有限公司）從采集的玉米莖和土壤樣品中提取水分。δ²H 和 δ¹⁸O 分析采用 L2120-I 分析儀（Picarro，美國）進行分析。

圖2 土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)處理土壤儲量及平均含水量的變化特征。

圖3 不同土層雨水、玉米莖水及土壤水的δ²H與δ¹⁸O關系。(a)所有采樣日期擬合δ²H與δ¹⁸O得到的線性方程；(b)7月9日擬合δ²H與δ¹⁸O得到的線性方程；(c)7月27日擬合δ²H與δ¹⁸O得到的線性方程；(d)8月10日擬合δ²H與δ¹⁸O得到的線性方程；(e)8月27日擬合δ²H與δ¹⁸O得到的線性方程。

圖 4 采樣日期土壤厚度為 20 厘米 (C1)、40 厘米 (C2)、60 厘米 (C3)、80 厘米 (C4)、100 厘米 (C5) 的處理中土壤水和莖水的 δ²H 和 δ¹⁸O 值的變化。

圖5 采樣期間土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)處理不同土層土壤水及雨水對莖水相對貢獻比例的變化。

本研究基于天然同位素示蹤技術結合現場土壤水分與生理形態特征測定，研究了西南坡耕地不同土壤厚度下夏季玉米的水分利用機制。結果表明：淺土壤（0～40cm）玉米種植對深層土壤水分的依賴性更強，土壤厚度超過60cm的玉米更傾向于利用各土層中分布較為均勻的水分。淺土壤夏玉米由于水資源有限，長期水分利用效率較高，但株高、葉面積、光合和蒸騰速率較低，尤其是在干旱條件下，導致干物質積累較少，產量降低。表明60cm以上土壤厚度具有較大的水分生態位寬度，適合亞熱帶坡耕地紫色土玉米生長。本研究對亞熱帶淺紫色土區旱地作物（玉米）的土壤-植物-水分關系提供了新的、關鍵的見解。未來研究應注重根系形態的年際變化及不同土壤類型或農田下墊面特征，以加強山地丘陵地區農業綜合管理。