農(nóng)田土壤固碳與增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)研究進(jìn)展

徐明崗，張旭博,2，孫 楠，張文菊

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

農(nóng)田土壤固碳與增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)研究進(jìn)展

徐明崗1，張旭博1,2，孫 楠1，張文菊1

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

農(nóng)田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和實現(xiàn)農(nóng)田持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)能力的關(guān)鍵所在。明確農(nóng)田土壤固碳與作物增產(chǎn)的協(xié)同效應(yīng)可為不同區(qū)域土壤培肥、維持和提升作物產(chǎn)量提供依據(jù)。農(nóng)田土壤固碳明顯受到氣候、土壤屬性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、輪作制度等因素的影響，且與農(nóng)田作物產(chǎn)量密切相關(guān)，二者具有明顯的協(xié)同效應(yīng)。農(nóng)田土壤有機(jī)碳與作物增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)存在一定的閾值，且該閾值具有一定的區(qū)域差異。東北地區(qū)土壤有機(jī)碳閾值約為C 44～46 t/hm2，西北和華北地區(qū)約為C 22～28 t/hm2，南方地區(qū)約為C 33～37 t/hm2。經(jīng)驗方程和模型模擬結(jié)果表明，在不同區(qū)域，農(nóng)田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有機(jī)碳，糧食作物產(chǎn)量可平均提升約0.7 t/hm2，但該響應(yīng)值在各地區(qū)明顯受到相應(yīng)的環(huán)境及農(nóng)田管理措施等因素的影響。深入理解農(nóng)田固碳過程及其與作物生產(chǎn)力協(xié)同作用的機(jī)理，是指導(dǎo)不同區(qū)域合理培肥、提高土壤肥力、提高養(yǎng)分資源利用效率的關(guān)鍵舉措。未來的研究方向和重點是明確不同區(qū)域農(nóng)田土壤可實現(xiàn)的固碳潛力，進(jìn)一步揭示集約化種植下農(nóng)田土壤有機(jī)碳的固存機(jī)制，關(guān)注深層土壤有機(jī)碳固定對作物增產(chǎn)潛力的影響及貢獻(xiàn)，并深入分析表征環(huán)境、人為因素等對農(nóng)田土壤固碳增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)的影響機(jī)制及調(diào)控原理。

長期試驗；土壤有機(jī)碳；作物產(chǎn)量；協(xié)同效應(yīng)

農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)是土壤重要的組分之一，其物理、化學(xué)性質(zhì)及其分解、固定過程能夠直接或間接地決定土壤質(zhì)量 (如土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、土壤肥力狀況及生態(tài)環(huán)境功能等)，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]。此外，土壤有機(jī)碳是大氣中CO2主要的源和匯[2]，在溫室氣體的動態(tài)變化中起著重要作用[3]。

過去三十年，我國一直面臨著保障糧食安全和減緩溫室氣體 (GHG) 排放的雙重挑戰(zhàn)。我國擁有世界22%的人口，但耕地面積只占全世界的7%，玉米和小麥產(chǎn)量只占世界生產(chǎn)量的20%和17%[4]。為保障我國糧食安全、提高農(nóng)作物單產(chǎn)和提升土壤肥力，需要確保土壤肥力水平不下降或逐步提升[5]，而土壤有機(jī)碳水平是土壤肥力的重要指標(biāo)之一。目前，我國農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的平均濃度約為10～30 g/kg[6–7]，遠(yuǎn)低于歐、美等發(fā)達(dá)國家[9](25～40 g/kg)，這也是限制作物高產(chǎn)品種增產(chǎn)潛力發(fā)揮的重要因素。因此，提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳是維持我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。一方面，提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平，對于土壤肥力的提升具有明顯的促進(jìn)作用，不僅能有效改善土壤的物理結(jié)構(gòu)和持水性能，也能顯著增強(qiáng)養(yǎng)分的供應(yīng)能力，從而促進(jìn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。另一方面，提高土壤有機(jī)碳水平，增加農(nóng)田土壤的有機(jī)碳固定，對于減緩大氣CO2濃度升高和氣候變化具有重要的意義。然而，土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)是一個復(fù)雜而漫長的地球化學(xué)過程，加之我國地域遼闊，跨越多個氣候帶，土壤類型和種植制度多樣，作物的增產(chǎn)和土壤固碳過程均受到諸多因素如氣候、土壤性質(zhì)、農(nóng)田管理措施、土地利用方式、種植制度、耕作等人為活動的影響。因此，在氣候變化大背景下，闡明土壤有機(jī)碳提升與作物增產(chǎn)之間的相互關(guān)系，明確土壤固碳對于維持或者增加作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，不僅對于區(qū)域合理的土壤培肥、提升土壤肥力和促進(jìn)作物增產(chǎn)方面具有重要的實踐指導(dǎo)意義，也可為如何應(yīng)對日益惡化的氣候所帶來的負(fù)面作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定的影響因素

在全球尺度上，陸地土壤有機(jī)碳庫的儲量(0—1.0 m深度) 大約為1500 Pg[13]。據(jù)估算，約有三分之一的土壤有機(jī)碳儲存于森林生態(tài)系統(tǒng)，另外三分之一在草原，剩余的三分之一在濕地、農(nóng)田和其他的生物群體[8]。而每年全球土壤呼吸釋放的碳 (C)大約為(98 ± 12) Pg[9]，是化石燃料燃燒排放量的十倍以上 (7.2 Pg)。因此，通過不同途徑將有機(jī)碳固定到土壤中，可以有效消減大氣二氧化碳濃度及其溫室效應(yīng)，成為目前研究的熱點之一。土壤固碳是通過提高大氣中碳向陸地生物圈轉(zhuǎn)化的凈轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)。土壤有機(jī)碳的固定取決于系統(tǒng)輸入與輸出的平衡，所有影響系統(tǒng)輸入和輸出的因素都會影響土壤有機(jī)碳的固定。一般來說，土壤碳固定是通過將更多來自于凈初級生產(chǎn)力中的碳，固定于土壤中或者降低土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率來實現(xiàn)土壤碳的固定。環(huán)境水熱條件、土壤性質(zhì)、農(nóng)田管理措施等因素均會影響土壤有機(jī)碳的輸入與輸出。具體來說，農(nóng)田土壤固碳主要受到如下因素的影響。

1.1 水熱條件

氣候因素是土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)和固定的主要驅(qū)動因子。首先，氣候條件可影響作物的生長發(fā)育，進(jìn)而改變來自作物根系、秸稈和殘茬的碳投入量。80年代早期我國農(nóng)田秸稈碳年投入為C 0.4 Mg/hm2，到21世紀(jì)初期增至C 1.4 Mg/hm2。另外，80年代、90年代和21世紀(jì)初期我國農(nóng)田有機(jī)碳總投入平均速率為1.9、2.4和2.7 Mg/(hm2·a)(包括有機(jī)肥、根茬、秸稈還田等)。其次，氣候條件可改變土壤水熱條件，影響土壤微生物種群的數(shù)量和多樣性，進(jìn)而改變土壤中有機(jī)物料的分解速率和土壤有機(jī)碳的礦化速率。由于全球氣候變化，尤其是氣候變暖可能造成的負(fù)面影響，溫度的改變對土壤有機(jī)碳分解的影響機(jī)制的研究受到廣泛關(guān)注。大量研究表明，土壤有機(jī)碳分解與溫度呈指數(shù)關(guān)系，且土壤有機(jī)碳分解速率會在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度的增加而增加。Zhu等[10]通過13C標(biāo)記的方法研究發(fā)現(xiàn)植物根系–土壤的相互作用在決定SOM分解對溫度的敏感性上起到了關(guān)鍵作用，SOM分解的溫度敏感性與當(dāng)時根系的活性升高是一致的。Gabriel等[11]的研究表明，在溫度一定并且保持田間持水量的20%～60%的情況下，溫度升高會提高土壤有機(jī)碳的分解。此外，在低溫地區(qū)，如高緯度地區(qū)，土壤有機(jī)碳分解對溫度升高更為敏感。因此，該地區(qū)土壤有機(jī)碳的明顯損失可以被認(rèn)為是溫度升高所帶來的負(fù)面作用[12]。

1.2 土壤性質(zhì)

土壤物理化學(xué)性質(zhì)也是影響土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的重要因素。土壤為生活在其中的動物、微生物提供了生存環(huán)境，而這生存環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到其種群多樣性和數(shù)量，進(jìn)而影響到土壤生物對進(jìn)入土壤的有機(jī)物料的分解和轉(zhuǎn)化過程。同時，土壤本身的理化性質(zhì)也決定了土壤的最大固碳潛力，能夠限制外源碳投入 (如有機(jī)肥、作物殘茬等) 所引起的土壤有機(jī)碳增加的程度[13]。土壤物理性質(zhì)直接影響土壤的結(jié)構(gòu)、通氣透水性，進(jìn)而影響土壤的溫度和濕度，是影響土壤有機(jī)碳分解的一個重要因素。研究表明，粘粒含量越高的土壤，土壤的固碳能力越強(qiáng)，土壤有機(jī)碳越不易被分解[14]。Six等[13]將土壤有機(jī)碳庫分為物理保護(hù)碳庫、粘粒、沙粒緊密結(jié)合的碳庫(化學(xué)保護(hù)性碳庫) 以及生物化學(xué)保護(hù)碳庫。研究表明，土壤大顆粒和中顆粒團(tuán)聚體中的有機(jī)碳對農(nóng)業(yè)措施的改變反應(yīng)敏感，且較微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳更易分解，即微團(tuán)聚體相對于大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的保護(hù)時間更長，而大團(tuán)聚體的變化直接影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[15]。

土壤的化學(xué)性質(zhì)，如土壤本身的有機(jī)碳含量以及其他營養(yǎng)元素含量等，都會影響土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過程。在土壤有機(jī)碳含量很高的土壤中，土地利用方式?jīng)Q定了土壤有機(jī)碳含量的變化形式。例如我國東北黑土，其土壤起始有機(jī)碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土壤，但是農(nóng)業(yè)活動以來，土壤有機(jī)碳急劇降低，這是因為作物碳投入不足加之土壤侵蝕的日益嚴(yán)重，使得土壤有機(jī)碳的消耗速度增加造成的。碳氮比高的土壤，土壤有機(jī)碳不易被固定。同樣的，土壤磷含量水平在一定程度上也影響土壤有機(jī)碳的固定。土壤pH值能夠影響土壤微生物活性，在湖南紅壤上，過低的pH值一方面降低作物產(chǎn)量從而減少了碳投入量，另一方面也降低了土壤微生物活性從而減少有機(jī)碳分解，因此導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳含量的降低幅度與其他地區(qū)差異明顯[16]。

1.3 施肥

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為獲得作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，提高作物殘茬還田量，提高土壤有效氮含量，施用氮肥和有機(jī)肥十分必要[17]。許多研究表明，提高氮肥施用量可以增加作物殘留物的還田量并且提高表層土壤有機(jī)碳的含量[18]。Alvarez對來自不同氣候、土壤、管理措施等較大范圍的137個點位的數(shù)據(jù)利用回歸模型評估了氮肥對土壤有機(jī)碳固定的影響，其研究結(jié)果顯示，在作物殘留物還田的情況下施用氮肥大約可提高土壤有機(jī)碳儲量約為 C 12.0 t/hm2[19]。與質(zhì)地良好的土壤相比，氮肥能提高質(zhì)地粗糙的土壤中50%以上的土壤有機(jī)碳含量[20]。

大量研究結(jié)果表明，與化肥相比，在農(nóng)田土壤中施入有機(jī)肥更有利于碳的固定[16,21–22]。Xia等[23]報道了有機(jī)肥施用后，在全世界范圍內(nèi)可提升33.3%的土壤有機(jī)碳含量，且提升旱地和水田土壤有機(jī)碳固定分別為 C 699.6 kg/(hm2·a) 和 C 401.4 kg/(hm2·a) ?；谖覈r(nóng)田長期施肥試驗，我們的研究表明，有機(jī)肥配施化肥顯著提高了旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量，約以0.1～0.4 g/(kg·a) 的速率增加[16]。美國俄亥俄州的長期試驗表明，相同輪作制度下，施有機(jī)肥的土壤中土壤有機(jī)碳固定速率 [C 392 kg/(hm2·a)]顯著高于施用化肥土壤 [C 355 kg/(hm2·a)][24]。美國俄勒岡州的長期試驗 (始于1931年) 的結(jié)果表明，在冬小麥–休閑輪作制度下，持續(xù)施入有機(jī)肥處理每年的產(chǎn)量、土壤表層 (0—30 cm) 碳和氮含量均高于其他施肥處理，此外，除有機(jī)肥處理外其他處理的土壤有機(jī)碳含量均隨著時間的增加而逐漸下降[25]。D’Hose等[5]指出每年作物碳的歸還和動物糞便的施用減緩了因耕作損失的碳，并且添加有機(jī)肥抵消了休閑時的碳損失。Rasmussen等[26]在美國西北部的半干旱地區(qū)通過長期試驗進(jìn)一步評估了影響碳固持的主要因素，他們指出與氮肥相比，施有機(jī)肥能夠降低土壤有機(jī)碳的損失，且對土壤有機(jī)碳含量具有更強(qiáng)的影響。這是因為有機(jī)肥能夠提供大量的外源碳輸入，對總碳輸入量的提高可以達(dá)到30%～80%。

1.4 耕作及其他因素

輪作方式也是影響土壤有機(jī)碳固定的重要因素。隨著輪作時間的延長，地下部生態(tài)系統(tǒng)的相互作用過程會逐漸加強(qiáng)，進(jìn)而改變農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量。許多研究結(jié)果表明，與單一栽培模式相比，提高種植密度和實行輪作可以提高作物殘留物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時也能提高土壤有機(jī)碳含量[19,27–28]。Halvorson等[27]的結(jié)果顯示，在北部大平原地區(qū)單季種植可以顯著增加土壤有機(jī)碳固定速率C 233 kg/hm2。在加拿大30年的長期試驗點位的結(jié)果顯示，與小麥–休閑制度相比，提高種植密度 (小麥–豆科牧草輪作) 可使土壤有機(jī)碳由C 36.3 t/hm2提升到C 42.2 t/hm2[29]。West等[30]利用全球67組長期農(nóng)田試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)通過實施作物輪作可使土壤有機(jī)碳的固定量提高 (0.15 ± 0.11)Mg/(hm2·a)。我們的結(jié)果表明，在我國典型旱地土壤中，輪作制度的改變也可以顯著影響土壤有機(jī)碳含量[16]。

另外，不同的耕作制度通過影響氮的有效性而影響碳的固持。保護(hù)性耕作例如免耕、壟作、少耕或者免耕播種，均能夠減少碳和氮的分解進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳含量[31–32]。一般情況下，大部分上季作物的殘留物都將以CO2的形式損失。當(dāng)使用免耕措施時，由于土壤溫度變化和水分蒸發(fā)的速率降低，作物殘茬與微生物和土壤水分接觸幾率減少，從而導(dǎo)致作物殘余物的降解速率變緩。Halvorson等[27]研究表明，常規(guī)耕作導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失C 141 kg/(hm2·a)，而免耕可使土壤有機(jī)碳每年以C 233 kg/hm2的速率提升。Sainju等[33]研究表明，在美國田納西州東部，免耕土壤固碳速率 [C 510 kg/(hm2·yr)] 顯著高于傳統(tǒng)耕作土壤。另外，較慢的氮礦化和反硝化也對土壤碳、氮和水分具有更好的保護(hù)作用[34]。Bessam等[35]認(rèn)為11年間耕作 (PT) 轉(zhuǎn)化為免耕 (NT) 時固碳速率提高至0.66 kg/(hm2·a)，而且通過增加土壤有機(jī)碳含量能持續(xù)提高作物產(chǎn)量。

2 農(nóng)田土壤固碳及其增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)

2.1 土壤固碳與作物產(chǎn)量的一般關(guān)系及定量研究方法

土壤有機(jī)碳變化對作物產(chǎn)量的影響是因為土壤有機(jī)碳可以通過改變土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物功能，進(jìn)一步改變農(nóng)田生產(chǎn)力[5]，如土壤有機(jī)碳可影響土壤結(jié)構(gòu)、土壤孔隙度、水分滲透、提高土壤化學(xué)緩沖能力、生物活性和養(yǎng)分循環(huán)等過程[36–38]。有研究指出，土壤有機(jī)碳庫與作物產(chǎn)量呈正相關(guān)，如德國、美國、澳大利亞和中國均有相似的研究結(jié)果[17,39–43]。然而，另有人提出，土壤有機(jī)碳與作物產(chǎn)量變化沒有顯著的相關(guān)性[38,44]，或者說相關(guān)的程度取決于不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，如有機(jī)農(nóng)業(yè)和常規(guī)農(nóng)業(yè)[45]。亞洲的多個長期試驗結(jié)果顯示，增加土壤有機(jī)碳含量對提高作物產(chǎn)量有積極作用，同時能維持或提高農(nóng)田土壤肥力。Basamba等[46]研究證明采用保護(hù)性耕作能提高玉米的產(chǎn)量。Quiroga等[47]研究表明土壤有機(jī)碳含量增加改善了土壤質(zhì)量，進(jìn)而顯著增加大麥產(chǎn)量。

土壤有機(jī)碳對作物產(chǎn)量的影響會被其他影響因素掩蓋。而且，研究土壤有機(jī)碳庫對產(chǎn)量的影響存在很大的不確定性。首先，不同施肥措施不但可以提升有機(jī)碳含量，也同樣改變了營養(yǎng)的供應(yīng)，如有機(jī)肥等[5,37,39]。此外，在使用長期試驗的數(shù)據(jù)分析其中的關(guān)系時，觀測數(shù)據(jù)易受到如季節(jié)變化、氣候條件和管理措施 (如作物品種的變化) 的影響。因此，很難量化土壤有機(jī)碳對作物產(chǎn)量提升作用，或者兩者間的關(guān)系仍存在較大的不確定性。就目前來看，量化土壤有機(jī)碳固存及其對作物產(chǎn)量的協(xié)同效應(yīng)的多數(shù)研究主要通過以下兩種方法：

1) 經(jīng)驗方程 有研究表明，土壤有機(jī)碳儲量和作物產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性之間存在著線性關(guān)系[48]或非線性的指數(shù)關(guān)系[49]。也有研究通過直線平臺方程擬合發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)有明顯的閾值(圖1)，當(dāng)土壤有機(jī)碳儲量超出一定的臨界值后就不會再對作物產(chǎn)量的增加起到積極作用，也就是說，作物產(chǎn)量受品種、氮磷鉀養(yǎng)分、氣候、病蟲害等影響，使得土壤有機(jī)碳不再是影響作物產(chǎn)量的主要因素。例如，旱地土壤土壤有機(jī)碳含量超過2%時，加拿大的艾伯達(dá)省作物產(chǎn)量不再因為土壤有機(jī)碳的增加而增加[50]。然而，到目前為止基于長期觀測確定土壤有機(jī)碳儲量和作物生產(chǎn)力的關(guān)系并且量化土壤有機(jī)碳儲量對作物產(chǎn)量影響的閾值的研究仍極其缺乏[49]。2) 模型模擬 賀美等[51]運用DNDC模型，對我國東北地區(qū)黑土土壤有機(jī)碳演變及其與作物產(chǎn)量之間的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了量化研究。Ye等[52]運用區(qū)域模型及Web土地評價系統(tǒng)，評估了我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量對作物產(chǎn)量的作用，其結(jié)果認(rèn)為土壤有機(jī)碳的降低解釋了7%～64%的減產(chǎn)。

圖1 農(nóng)田土壤固碳的增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)與閾值Fig. 1 The synergistic effects of enhanced SOC sequestration on crop yield and its threshold

2.2 我國農(nóng)田土壤固碳的增產(chǎn)協(xié)同作用

在確保糧食安全的大背景下，量化土壤有機(jī)碳庫含量對作物產(chǎn)量的提升作用有著重要的生產(chǎn)實踐意義。Zhang等[53]基于我國多個典型農(nóng)田長期試驗對我國農(nóng)田土壤固碳速率 (0—20 cm土壤深度) 進(jìn)行了分析。其結(jié)果顯示 (表1)，對于旱作農(nóng)田土壤來說，長期施用化肥后，東北地區(qū)哈爾濱和公主嶺土壤有機(jī)碳基本持平，但化肥配施有機(jī)肥后，土壤有機(jī)碳均能保持不變或顯著提升，而且根據(jù)其研究中秸稈歸還量進(jìn)行推算，相比不施肥的玉米和小麥增產(chǎn)率達(dá)29%～79%；西北干旱地區(qū)長期施用化肥后，烏魯木齊和張掖點土壤碳庫仍分別以0.19 t/(hm2·a) 和0.23 t/(hm2·a) 的速率下降，但化肥配施有機(jī)肥后，土壤有機(jī)碳固定速率明顯提升 [0.18～0.47 t/(hm2·a)]，根據(jù)其研究中秸稈歸還量進(jìn)行推算，相比不施肥的玉米和小麥增產(chǎn)率為86%～111%和170%～370%；華北地區(qū)施用化肥或化肥配施有機(jī)肥均能提高土壤有機(jī)碳，且固碳速率為0.07～0.76 t/(hm2·a)，相比不施肥的玉米和小麥的增產(chǎn)率分別為102%～149%和192%～279%；南方地區(qū)施用化肥、化肥配施有機(jī)肥或秸稈均可顯著提升土壤有機(jī)碳固碳速率[0.13～0.77 t/(hm2·a)]，相比不施肥非常明顯地提高了玉米和小麥產(chǎn)量 (增產(chǎn)率分別為1021%～1679%和211%～315%)。然而，以上研究僅能從表觀上認(rèn)為土壤有機(jī)碳的提高伴隨著產(chǎn)量的增加，或者說產(chǎn)量的增加伴隨著土壤有機(jī)碳的提高，并未明確量化或闡明土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量的關(guān)系。

表 1 我國旱作系統(tǒng)不同施肥下土壤有機(jī)碳固定速率與作物產(chǎn)量增產(chǎn)率及穩(wěn)定性[53]Table 1 Soil organic carbon sequestration rate and increasing rate and stability of crops yield under different fertilization treatments in upland of China

因此，Zhang等[49]進(jìn)一步以1980年建立的全國農(nóng)田肥料網(wǎng)和1990年建立的土壤肥力網(wǎng)的長期試驗為基礎(chǔ)，選取跨越不同氣候帶、土壤類型和輪作制度的多個有代表性和良好管理的長期試驗數(shù)據(jù)，分析顯示，相比不施肥，長期施用有機(jī)肥 (20～30年)可以顯著地提高土壤表層 (0—20 cm) 32%～87%的土壤有機(jī)碳，秸稈還田相比不施肥也可以增加26%～38%的土壤有機(jī)碳。其研究顯示，土壤有機(jī)碳對作物產(chǎn)量的提高作用有著明顯的閾值。在我國北方地區(qū)，當(dāng)施用有機(jī)肥或秸稈還田將土壤有機(jī)碳庫 (表層0—20 cm) 提升至C 22～50 t/hm2時(東北地區(qū)為C 44～46 t/hm2，西北地區(qū)為C 26～28 t/hm2，華北地區(qū)為C 22 t/hm2)，其小麥和玉米產(chǎn)量相比施用化肥處理只有13%～22%的提升。然而，在南方地區(qū)，當(dāng)土壤有機(jī)碳庫約提升至C 35 t/hm2后，該地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量相比施用化肥處理顯著提升。

另外，張旭博等[54]估算了不同區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳每提升C 1.0 g/kg時作物產(chǎn)量的增加幅度，具體來說，北方 (東北、西北、華北) 地區(qū)玉米增產(chǎn)0.99 t/hm2(0.66～1.22 t/hm2)、小麥增產(chǎn)0.96 t/hm2(0.58～0.95 t/hm2)；南方 (華南、西南) 地區(qū)玉米增產(chǎn)約0.596 t/hm2、小麥增產(chǎn)約0.19 t/hm2(0.17～0.21 t/hm2)、水稻增產(chǎn)約0.35 t/hm2。若各區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量上升至對產(chǎn)量的最大閾值，相比2009年各地區(qū)小麥 (東北、華北、西北和南方地區(qū)分別為3.8、3.7、4.7 和 3.1 t/hm2) 和玉米產(chǎn)量 (東北、華北、西北和南方地區(qū)分別為5.3、6.2、5.3 和 4.4 t/hm2)(數(shù)據(jù)來自中國國家統(tǒng)計局)，東北、華北、西北和南方地區(qū)小麥產(chǎn)量可增加0.6、1.2、0.8和2.8 t/hm2，玉米產(chǎn)量增加 1.3、2.4、0.9 和 4.3 t/hm2，另外，在東北、華北、西北和南方地區(qū)，還分別需要C 331、74、59和286 t/hm2來填補(bǔ)目前表層土壤有機(jī)碳儲量與其產(chǎn)量影響閾值之間的差距[54]。許詠梅等[55]指出，新疆地區(qū)農(nóng)田有機(jī)碳投入與作物產(chǎn)量有明顯的正相關(guān)關(guān)系，碳投入C 1.0 t/(hm2·a) 會相應(yīng)提升小麥和玉米產(chǎn)量136 kg/hm2和138 kg/hm2。有研究表明，施肥持續(xù)時間分別為5年、10年、15年以及25以上時，每提升C 1.0 t/(hm2·a) 可相應(yīng)提高華北平原 0.30、0.12、0.07和0.02 t/hm2的小麥玉米年產(chǎn)量，且該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量的增產(chǎn)閾值約為C 25～41 t/hm2[56]。

此外，土壤有機(jī)碳的提升對南方地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性的提高要明顯高于北方各地區(qū)[49]。除東北地區(qū)之外，在華北、西北和南方地區(qū)，隨著土壤有機(jī)碳固定的增加，小麥和玉米的產(chǎn)量變異性呈顯著的指數(shù)下降，產(chǎn)量穩(wěn)定性隨著土壤有機(jī)碳庫含量的增加而增加；大致來說，農(nóng)田表層 (0—20 cm) 土壤有機(jī)碳每提升C 1.0 g/kg時，產(chǎn)量變異系數(shù)下降3～5個百分點。由于東北地區(qū)土壤有機(jī)碳庫水平較高 (C 30～45 t/hm2)，提高了作物對生物及非生物脅迫的抗性[57]，或是因為相比其他地區(qū)，該地區(qū)氣候的季節(jié)變化幅度和病蟲害程度較低。在華北、西北和南方地區(qū)，將土壤有機(jī)碳庫分別增加達(dá)到C 18 t/hm2和25 t/hm2后，作物穩(wěn)產(chǎn)性達(dá)到較高水平。與北方不同，在南方地區(qū)，平衡施肥 (化肥) 并沒有減少小麥和玉米產(chǎn)量的變異性，但如果增施有機(jī)肥將土壤有機(jī)碳庫增加至C 30 t/hm2后，無論是小麥還是玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性將有很大提高。

邱建軍等[58]基于DNDC模型的模擬研究表明，東北地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳對作物產(chǎn)量影響較明顯，當(dāng)土壤有機(jī)碳含量減少50%時，玉米產(chǎn)量在20年中減少1.2 t/hm2，而當(dāng)土壤有機(jī)碳含量增加50%時，玉米產(chǎn)量在20年中增加1.8 t/hm2；華北地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量減少50%時，產(chǎn)量減少0.7 t/hm2，而土壤有機(jī)碳含量增加50%時，產(chǎn)量增加0.6 t/hm2，而且在該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，作物產(chǎn)量約提高0.4 t/hm2；西北地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量增加50%時，春玉米產(chǎn)量增加0.6 t/hm2，而且在該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，春玉米產(chǎn)量約提高0.3 t/hm2；中南地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量減少50%時，產(chǎn)量減少0.8 t/hm2，而土壤有機(jī)碳含量增加50%時，產(chǎn)量增加0.5 t/hm2，在該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，作物產(chǎn)量約提高0.2 t/hm2；華東和西南地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量增加50%時，水稻產(chǎn)量提高0.7～1.5 t/hm2，在該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，水稻產(chǎn)量約提高0.2 t/hm2。我們課題組采用SPACSYS模型研究結(jié)果表明，在未來氣候變化情景下，我國北方一年兩熟種植區(qū)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫仍對小麥和玉米產(chǎn)量有明顯的增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)，即小麥產(chǎn)量的土壤有機(jī)碳影響閾值約為C 24.3～24.1 t/hm2，玉米的土壤有機(jī)碳影響閾值為C 25.2～26.4 t/hm2；而在北方一年一熟地區(qū)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫與小麥和玉米產(chǎn)量沒有明顯的相關(guān)性[53]。

3 農(nóng)田土壤固碳增產(chǎn)的研究價值與展望

農(nóng)田土壤有機(jī)碳作為土壤肥力的核心和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其周轉(zhuǎn)過程由于受到農(nóng)業(yè)管理措施尤其是施肥的影響而顯得尤為復(fù)雜。深入理解我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定過程及其增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)，可填補(bǔ)農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定相關(guān)研究的不足，是指導(dǎo)不同區(qū)域合理施肥、提升作物生產(chǎn)力、提高土壤肥力、減緩養(yǎng)分損失的關(guān)鍵，可為我國農(nóng)田土壤肥力提升、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

然而，長期以來，有關(guān)農(nóng)田土壤有機(jī)碳提升和作物增產(chǎn)的研究基本處于分離狀態(tài)，也就是說以往研究多為氣候、農(nóng)田養(yǎng)分管理、耕作措施、種植制度等因素對農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定和作物產(chǎn)量影響的單一研究，尤其是對農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定機(jī)制與增產(chǎn)的協(xié)同機(jī)制并不清楚。因此，今后以下幾個方面仍有待進(jìn)一步的研究。

1) 農(nóng)田土壤的碳固定是系統(tǒng)收支產(chǎn)生盈余的體現(xiàn)，僅僅數(shù)量上的改變不足以體現(xiàn)其對作物的增產(chǎn)協(xié)同作用。因此，有關(guān)農(nóng)田土壤新增部分碳在土壤中的去向與分配是體現(xiàn)土壤有機(jī)碳質(zhì)量演變的重要研究方向。

2) 目前有關(guān)農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定對作物產(chǎn)量影響的研究極其缺乏，其中多數(shù)研究更是只關(guān)注了表層 (0—20 cm) 土壤有機(jī)碳的固定。深層土壤有機(jī)碳庫的變化，同樣會影響作物生長和養(yǎng)分運移，如根系延展、土壤物理性質(zhì)、土壤氮素殘留和供應(yīng)水平等多個生態(tài)學(xué)過程。因此，應(yīng)當(dāng)同時關(guān)注深層土壤(0—100 cm及以上) 有機(jī)碳固定對產(chǎn)量的影響，使該研究更加系統(tǒng)和全面。

3) 雖然本文推測農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定的作物增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)同樣受外界因素限制，但并未明確土壤有機(jī)碳固定的增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)受到哪些限制因子的影響，且未量化這些限制因子的貢獻(xiàn)。因此，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)方程模型 (VPA) 等統(tǒng)計或模型手段量化上述限制因子對土壤有機(jī)碳固定的增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)的影響貢獻(xiàn)率，才能更全面地回答不同區(qū)域土壤有機(jī)碳對產(chǎn)量影響閾值差異的原因。

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Advance in research of synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yields improvement in croplands

XU Ming-gang1, ZHANG Xu-bo1,2, SUN Nan1, ZHANG Wen-ju1
( 1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Beijing, 100101, China )

Soil carbon sequestration is the key to improve soil fertility and to secure and achieve sustainable and stable crop productivity. Identifying the synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yield improvement in agricultural soils could provide scientific basis for soil fertility improvement sustaining and improving crop productivity in different regions. In agricultural soils, soil carbon sequestration is mainly affected by climate, soil properties, management practices (especially fertilization and tillage) and cropping and rotation. Soil carbon sequestration is significantly correlated with crop productivity, showing obvious impact on crop productivity synergistically. There is an obvious threshold value of the synergistic effect of soil carbon sequestration on crop yield improvement. In addition, the threshold value of soil organic carbon varied among regions. For instance, the threshold value of soil organic carbon is approximately (ca.) C 44–46 t/hm2for the Northeast of China, ca. C 26–28 t/hm2for the Northwest of China, ca. C 22 t/hm2for the North China and ca. C 35 t/hm2for the South of China. Based on the results from empirical equations and model simulations, the magnitude of crop yields improvement by each 1.0 C t/(hm2·a) of enhanced soil carbon sequestration is averaged 0.7 t/hm2for wheat, maize and rice yields. It indicated that the synergistic effects of soil carbon sequestration on crop productivityimprovement was regulated by these relevant environmental factors and management practices. Understanding the underlying mechanisms of soil carbon sequestration process and interaction of the synergistic effects on crop productivity is important for guiding the improvement and enhancement of soil fertility, crop productivity and nutrient resource use efficiency. Future studies should be focused on identifying the attainable potential of soil carbon sequestration, further revealing the mechanisms of soil carbon sequestration under intensive cropping conditions, paying more attentions to the effects of soil carbon sequestration in deep soil on the improvement potential and contribution of crop yield, and quantifying the contributions and controlling theory of environment or anthropic practices to the interactions between soil carbon sequestration and crop yield improvement.

long-term experiment; soil organic carbon; crop yield; synergistic effect

2017–08–28 接受日期：2017–10–24

國家重點基金（41620104006）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFE0112700）資助。

徐明崗（1961—），男，陜西楊凌人，博士，研究員，主要從事農(nóng)田土壤肥力與培育研究。E-mail：xuminggang@caas.cn