优化秸秆还田策略以提升土壤有机质（SOC）、提高作物产量并减少二氧化碳（CO2）排放——以中国的小麦和玉米种植系统为例

《Agricultural Water Management》：Optimal straw return strategies for enhancing SOC, crop yield, and mitigating CO 2 emissions in Chinese wheat and maize systems

秸秆还田显著提升中国小麦和玉米种植系统土壤有机碳（SOC）及产量，但增加二氧化碳（CO?）排放，需结合气候、土壤质地及管理优化策略。元分析整合494个田间数据，揭示气候（年均温、降水）、秸秆还田方式（覆盖/翻埋）、氮肥施用（100-400 kg/ha）和耕作（免耕/常规）是关键驱动因素，其中10-20℃年均温、500-1000 mm年均降水及中质土壤下协同效应最佳，提出分系统优化方案。

　　秸秆还田是一种重要的农业实践，能够显著提升土壤有机碳含量，改善土壤结构，增强土壤持水能力。随着全球农业用水紧张问题的加剧，优化秸秆还田策略对于实现土壤健康、粮食安全和气候韧性之间的平衡具有关键意义。然而，目前在区域尺度上对于秸秆还田对土壤有机碳、二氧化碳排放和作物产量的影响尚缺乏共识。本研究基于中国小麦和玉米试验中494组配对的田间观测数据，通过元分析方法，评估了秸秆还田对土壤有机碳、二氧化碳排放和作物产量的响应，以及整合气候、土壤和管理变量的调节因素和关键驱动机制。

研究结果表明，与不还田相比，秸秆还田显著提高了平均土壤有机碳含量（14.03%）、作物产量（9.82%）和二氧化碳排放（21.21%）。这一过程在一定程度上实现了碳封存和产量提升，但同时伴随着二氧化碳排放的增加。对于特定的种植系统、气候区和土壤质地，结合适当的农业措施可以有效缓解秸秆还田带来的负面影响。随机森林和结构方程模型分析进一步揭示，秸秆还田对土壤有机碳、二氧化碳排放和作物产量的影响，是由气候因素（年均温度和年均降水量）、秸秆还田以及氮肥管理共同决定的，这些因素通过其对种植系统、土壤质地、耕作方式和灌溉措施的直接或间接作用来调控相关过程。具体而言，小麦单作系统中，中等年限（5-10年）的秸秆还田结合中等氮肥（200-400千克氮/公顷）；玉米单作系统中，免耕覆盖结合中等年限的秸秆还田；在年均温度10-20°C、年均降水量500-1000毫米和中等质地土壤的地区，小麦-玉米轮作结合低氮肥（100-200千克氮/公顷）显示出更大的碳封存潜力、产量提升和排放减少前景。

本研究通过数据驱动的评估，为制定中国小麦和玉米系统中的因地制宜的秸秆还田优化策略提供了关键指导，支持可持续的主粮生产。研究发现，秸秆还田对土壤有机碳、二氧化碳排放和作物产量的影响因种植系统、土壤类型和管理措施而异。例如，在温暖湿润的气候条件下，强烈的土壤微生物活动会促进土壤有机碳的分解，而适当的秸秆还田则通过碳封存和产量提升来缓解这种影响。在碱性砂壤土中，秸秆还田通过分解过程中释放有机酸，加剧土壤酸化，从而降低土壤碳稳定能力。秸秆作为潜在的天然肥料替代品，有助于减少过度使用合成肥料带来的环境风险。

此外，研究还发现，秸秆还田与氮肥施用相结合，能够提升土壤微生物活动和养分供应能力，从而提高作物产量。农业对合成肥料的依赖可以进一步减少。耕作方式在调节秸秆还田效果方面起着重要作用，例如旋耕可以缓解土壤板结，加快秸秆分解，提高土壤有机碳封存能力和作物产量，尤其是在黏土含量较高的土壤中。免耕结合最小的土壤扰动和秸秆还田能够显著提升表层土壤的有机碳积累和作物产量，同时缓解二氧化碳排放。然而，深层土壤可能由于土壤容重增加和外源碳投入减少，导致土壤有机碳封存能力下降。与免耕不同，深耕将作物秸秆埋藏得更深，改善根系生长环境，促进根系碳输入，从而有效提高土壤有机碳封存。

此外，将秸秆还田与节水灌溉技术结合，被认为是一种协同管理策略。研究表明，滴灌结合秸秆还田能够减少温室气体排放，提高作物产量并增强土壤有机碳封存。因此，在评估秸秆还田效果时，需要综合考虑气候条件、土壤特性和管理实践。尽管秸秆还田在全球范围内被证明能增强土壤碳封存和作物产量，但其对二氧化碳排放的影响仍存在显著差异。研究指出，气候条件、土壤性质和管理实践共同作用于土壤有机碳封存、二氧化碳减排和作物产量提升的机制，这些因素通过其与种植系统、土壤质地、耕作方式和灌溉措施的交互作用影响相关过程。

本研究的发现为制定适合中国小麦和玉米系统的秸秆还田优化策略提供了科学依据。通过深入分析不同种植系统、土壤质地和管理实践对秸秆还田效果的影响，研究揭示了实现碳封存、产量提升和排放减少之间平衡的关键因素。同时，研究还强调了在不同地区制定因地制宜的管理策略的重要性，以应对气候、土壤和管理变量的复杂性。未来研究应进一步关注土壤微生物生物量和活性，这些因素在调控土壤有机碳、二氧化碳通量和作物产量方面发挥着关键作用。此外，极端气候事件（如热浪、强降水和干旱）对土壤有机碳、二氧化碳排放和作物产量的短期影响仍需进一步研究。因此，未来研究应聚焦于全面的数据收集和多维度整合，以更准确地揭示秸秆还田系统中碳封存、排放减少和产量提升的协同机制。