东北玉米轮作系统对土壤有机碳储量的动态影响：从增长到衰退的机制解析与优化策略

针对东北黑土区长期玉米连作导致的土壤有机碳(SOC)下降问题，研究人员通过整合元分析和GA-RF机器学习模型，揭示了气象因子(如MAP)、初始土壤性质(BD、TN)和管理措施(DCD、DCI)对SOC储量的协同调控机制，发现优化玉米-大豆轮作可使SOC提升1.48–3.21%，为区域土壤固碳提供了量化决策依据。

　　

东北黑土被誉为"耕地中的大熊猫"，但长期玉米连作导致其土壤有机碳(SOC)以每年0.5%的速度流失，威胁着中国"粮仓"的生态安全。这一现象背后，是传统农业管理忽视作物多样性对土壤碳库的调控作用。尽管已有研究表明玉米-大豆轮作能提升SOC，但不同试验结果差异悬殊——有的显示表层SOC增加29%，有的却检测不到显著变化。这种"同措施不同效"的困境，源于气候条件、土壤本底和管理强度的复杂互作，亟需系统性量化评估。

中国农业科学院团队在《Agriculture, Ecosystems 》发表研究，首次构建了涵盖17个试验点、218组观测数据的时空数据库，结合元分析和遗传算法优化的随机森林模型(GA-RF)，揭示了东北玉米轮作系统SOC变化的"四阶段规律"：快速增加期(轮作前3年)→缓慢增长期(3-5年)→平台期(5-7年)→衰退期(>7年)。关键技术包括：(1)整合1980-2018年土壤普查数据和气象记录；(2)采用GA算法筛选影响SOC的12个核心变量；(3)通过Shapley值解析各因素贡献度。

【Response of SOC storage to diversified maize cropping systems under varying conditions】
研究发现，当年均降水量(MAP)>550mm且初始土壤全氮(TN)>1.2g/kg时，玉米-大豆轮作可使0-20cm土层SOC提升0.53%(约15.86Tg)；而优化后的高频轮作(年际交替)方案，理论上可进一步提升SOC储量1.48-3.21%(33.44-72.53Tg)。土壤容重(BD)每降低0.1g/cm³，SOC累积效率提高17%。

【Uncertainty analysis of diversification cropping on SOC storage】
模型显示，轮作年限(DCD)和强度指数(DCI)存在阈值效应：当年限超过5年或强度>0.8时，SOC增益边际效益递减。这种非线性关系解释了为何短期试验(<3年)常低估轮作潜力，而长期试验中管理不当会导致收益衰减。

【Conclusions】
该研究创新性提出"轮作强度-气候适宜度-土壤本底"三位一体的SOC调控框架，证实玉米-大豆轮作在东北高肥力雨养区最具固碳性价比。通过将传统经验转化为量化决策模型，为制定《黑土地保护法》中轮作条款提供了科学基准，其预测模型已应用于黑龙江省850万亩耕地的精准碳管理。正如通讯作者Xin Zhao强调："这项研究标志着我国土壤碳汇研究从定性描述向智能预测的关键转型。"