综述：干旱度调控改良剂对沙质土壤作物产量和有机碳的积极影响：一项全球荟萃分析

本综述基于151项田间研究的843组观测数据，通过荟萃分析系统评估了有机与无机改良剂对全球沙质土壤作物产量及土壤有机碳（SOC）的改善效应。结果表明，改良剂平均提升作物产量39%、SOC 62%，且复合改良剂对产量增益最大（+92%），无机改良剂对SOC提升最显著（+133%）。研究首次揭示作物产量与SOC的响应关系受气候干旱度（Aridity Index）调控：湿润区（AI≤0.5）二者显著正相关，而干旱区（AI>0.5）无显著关联。随机森林分析确认气候干旱度、初始SOC和pH是调控产量响应的关键因子（共解释48%变异）。该研究为针对性地选择改良策略以协同提升沙质土壤肥力和生产力提供了重要理论依据。

　　

引言

沙质土壤全球分布约9亿公顷，其中近2亿公顷为耕地，是保障粮食安全的重要资源。这类土壤存在粘粒和有机质含量低、结构差、水肥保持能力弱等问题，极易受干旱和风蚀影响。改良剂的应用被视为改善沙质土壤健康、提升农业产量的有效策略，但其对作物产量和SOC的协同增益效应及环境驱动机制尚未系统量化。

材料与方法

研究筛选1980–2024年间符合标准的151篇文献，包含438组产量数据和843组SOC数据。改良剂分为有机类（生物炭、粪肥、秸秆等）、无机类（膨润土、软岩等）和复合类。通过响应比（RR）和随机效应模型进行荟萃分析，结合随机森林和结构方程模型（SEM）解析关键驱动因子。

结果

3.1 作物产量与SOC对改良剂的响应

改良剂使沙质土壤作物产量平均增加39%，SOC增加62%。复合改良剂对产量提升最显著（+92%），无机改良剂对SOC提升最大（+133%）。蔬菜产量响应最高（+75%），小麦、玉米和花生分别为+59%、+29%和+29%。SOC增幅在蔬菜和玉米中更高（+93%和+80%）。膨润土处理下SOC增幅达194%。产量响应与粪肥和生物炭施用量正相关，但与改良持续时间负相关。

3.2 调控因子分析

作物产量和SOC响应受气候和土壤性质显著影响。温暖地区（MAT>15°C）产量和SOC增幅更高（+50%和+126%）。干旱指数（AI）升高降低产量响应但增加SOC响应。初始SOC≤5 g kg^?1或容重>1.4 g cm^?3的土壤响应更显著。

3.3 土壤理化与生物特性变化

改良剂显著改善土壤结构：粘土含量+30%、孔隙度+15%、持水量+34%、大团聚体（>0.25 mm）+153%，容重降低8%。养分有效性同步提升：速效氮（AN）+52%、速效磷（AP）+42%、速效钾（AK）+53%。微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）分别增加47%和39%。植物参数如地上生物量（AGB）+38%、地下生物量（UGB）+55%、根长+61%均显著改善。

3.4 环境因子的调控作用

随机森林显示，气候干旱度和初始SOC是调控产量和SOC响应的关键因子，分别解释48%和75%的变异。结构方程模型（SEM）进一步揭示干旱指数通过影响初始SOC间接调控SOC和养分响应，进而影响产量。

3.5 产量与SOC的关联性

93.3%的案例中产量与SOC同步增加。湿润区（AI≤0.5）二者显著正相关（R²=0.28, p<0.001），干旱区则无显著关系，表明干旱条件下碳-产量增益解耦。

讨论

改良剂通过改善土壤结构、提升水肥保持力和刺激微生物活动协同促进沙质土壤生产力和固碳能力。复合改良剂整合有机和无机材料优势，显著提升产量；而无机改良剂（如膨润土）通过促进有机-矿物复合体形成保护SOC。气候干旱度是调控响应关系的核心因子：干旱条件下微生物活性受抑制、作物碳分配转向地下，导致SOC积累但产量响应受限；湿润区水热条件优化微生物功能和养分循环，强化碳-产量协同增益。该研究强调需根据气候和土壤条件定制改良策略，以最大化沙质土壤的生态和农业效益。

结论

改良剂应用可协同提升沙质土壤作物产量和SOC固存，其效应受改良剂类型、气候干旱度和初始土壤性质共同调控。湿润区更易实现碳-产量协同增益，而干旱区存在解耦现象。研究为针对性优化沙质土壤改良策略提供了全球尺度的证据支持。