农艺措施对作物产量及土壤有机碳与全氮固存的协同影响：一项全球整合分析

为应对全球粮食安全挑战并探索可持续农业实践对土壤健康的综合效益，研究人员通过全球整合分析（665个观测数据），系统评估了施肥与农艺措施对四大主粮作物产量及土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）储量的影响。研究发现混合肥料对小麦和大豆增产效果最显著（分别达160%和128%），免耕显著提升玉米（121%）和水稻（69%）产量，且大豆系统在SOC（59.04 Mg/ha）和TN（4.03 Mg/ha）固存方面表现突出。该研究为优化农业管理策略、协同提升作物生产力和土壤固碳能力提供了重要科学依据。

　　

随着全球人口的持续增长，粮食安全问题日益严峻。提高主粮作物产量并维持农业生态系统的可持续性成为当务之急。然而，不同地区由于农艺措施实施的差异，导致作物产量存在显著波动，加之不合理的农业实践可能加剧土壤退化、减少土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）和全氮（Total Nitrogen, TN）储量，进而影响土壤肥力和作物生产潜力。土壤碳氮循环与作物生产之间存在着复杂的相互作用，但以往研究多聚焦于单一措施的效果，缺乏对施肥与其他农艺实践（如耕作方式、种植制度、残茬管理等）协同作用的系统评估。为此，研究人员开展了一项全球规模的整合分析（Meta-analysis），旨在揭示不同农艺措施对作物产量和土壤碳氮储量的综合影响，为制定区域适应性管理策略提供依据。该研究发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。

研究人员通过系统检索Web of Science数据库中1900–2021年间的相关文献，最终纳入106篇论文中的665组观测数据，覆盖玉米、小麦、水稻和大豆四种主要粮食作物。数据提取和分类依据施肥类型（有机肥、矿物氮肥、混合肥）、耕作方式（免耕、传统耕作、减耕）、种植制度（连作、轮作）、残茬管理（保留与移除）以及气候条件（半干旱、半湿润、湿润）进行。采用响应比（Response Ratio, RR）的自然对数为效应量，基于随机效应模型进行整合分析，并使用Bootstrapping方法计算95%置信区间（CI）和组间异质性（Qb）。对于SOC和TN数据，根据原文献提供的容重和土层深度统一换算为0–30 cm土层的储量（Mg/ha），确保数据可比性。分析工具为MetaWin软件（v2.1），图表绘制使用SigmaPlot（v14.5）。

3.1. 施肥与管理措施对作物产量的影响

• •
  施肥显著提高所有作物产量，其中混合肥对小麦和大豆的增产效果最强（分别为160%和128%）。
• •
  免耕比传统耕作更有利于玉米（121%）和水稻（69%）增产；减耕和残茬保留分别比传统耕作和残茬移除显著提高产量7%和23%。
• •
  作物轮作对玉米产量提升效果（134%）优于连作（81%），但在其他作物中差异不显著。
• •
  降水量与作物产量呈正相关，湿润气候下作物平均增产105.21%。

3.2. 不同管理措施对作物产量的影响

减耕和残茬保留均显著提高作物产量，而免耕和轮作在某些作物中未表现出显著优势，可能与肥料投入的补偿效应有关。

3.3. 种植制度对SOC和TN储量的影响

3.3.1. 作物产量与SOC、TN变化的关系

SOC和TN与四大作物产量均呈显著正相关（P<0.001），其中SOC与产量的二次拟合关系（R2=0.17–0.4）优于TN（R2=0.12–0.34），表明碳氮协同提升对增产具有重要作用。

3.3.2. 农艺措施下SOC和TN储量的分布

所有处理组的SOC和TN储量均高于对照组，其中大豆系统的SOC（59.04 Mg/ha）和TN（4.03 Mg/ha）储量最高，显著高于玉米、小麦和水稻。免耕、轮作和残茬保留等措施进一步促进了碳氮的固存。

研究结论表明，可持续农艺措施（如混合施肥、免耕、残茬保留和轮作）能协同提升作物产量和土壤碳氮固存能力，尤其以大豆系统在改善土壤健康方面表现突出。讨论部分强调，混合肥料通过平衡养分供应和改善土壤物理性质（如容重、孔隙度）促进作物生长；免耕和残茬保留通过减少土壤扰动和提高有机质输入增强碳氮固存；而气候条件与管理措施的交互作用进一步影响了实施效果。该研究不仅为区域差异化农业管理提供了理论依据，也突出了豆科作物在可持续农业系统中的关键作用——通过生物固氮和深层根系作用显著提升土壤肥力。此外，SOC与作物产量的正反馈关系说明，提升土壤碳库不仅是缓解气候变化的重要途径，也是保障粮食安全的核心策略。未来需进一步优化施肥制度与农艺措施的搭配，尤其在非洲等肥料投入不足的地区推广混合施肥和残茬管理，以实现生产力与环境可持续性的双赢。