保护性耕作对东北黑土区土壤有机碳与作物产量的协同提升机制：气候-管理-土壤属性的综合调控

本研究针对东北黑土区土壤退化与粮食安全需求，通过整合527组观测数据，系统分析了保护性耕作（NT/RT）对土壤有机碳（SOC）和作物产量的影响。结果表明保护性耕作平均提升SOC 4.17%、产量2.69%，且NT的固碳效果（+5.92%）优于RT，而RT的增产效果（+3.32%）更显著。研究揭示了暖湿条件（MAT>8°C、HI>0.45）、低初始SOC（<10 g C kg-1）和高粘粉粒含量（>60%）区域实施秸秆覆盖的NT模式在10年内效益最大化。该成果为黑土区因地制宜制定耕地保护策略提供了科学依据。

　　

东北黑土被誉为“耕地中的大熊猫”，然而长期集约化农业和气候变化导致该区域面临严重的土壤退化问题——黑土层变薄、有机质下降、土壤结构破坏，直接威胁国家粮食安全。尽管保护性耕作（Conservation Tillage）被广泛认为是改善土壤健康、提升碳汇能力和维持作物产量的关键措施，但关于其在中国东北黑土区的实际效果及调控机制仍存在显著争议。有的研究报道保护性耕作可显著提升土壤有机碳（SOC）和作物产量，而另一些研究则显示无显著效果甚至负面影响。这种不确定性主要源于气候条件、管理实践和土壤属性等因素的复杂交互作用，亟需通过大尺度数据整合进行系统评估。

为此，研究人员在《Journal of Agriculture and Food Research》上发表了一项基于meta分析的综合性研究，旨在量化保护性耕作对东北黑土区SOC和作物产量的影响，并识别其关键驱动因素。

研究团队从140篇公开发表的研究中提取了527组有效观测数据，运用响应比（Response Ratio, RR）随机效应模型、随机森林算法和结构方程模型（SEM）等多种统计方法，系统评估了不同保护性耕作方式（无耕作No-till, NT；减耕Reduced Tillage, RT）在不同环境与管理条件下的效果。关键方法包括：效应值加权整合、气候与土壤属性数据补全（借助WorldClim和HWSD数据库）、变异分解以及多因子贡献度排序。

研究结果显示，保护性耕作显著提高了SOC和作物产量，平均增幅分别为4.17%和2.69%。NT在固碳方面表现更优（SOC +5.92%），而RT则更利于增产（产量 +3.32%）。SOC的增加呈现明显的表层聚集现象：0-30 cm土层SOC显著增加（最高+13.68%），但30 cm以下土层则出现下降（-1.5%）。进一步分析表明，这种效应受到气候条件、管理措施和土壤属性的共同调控。在暖湿环境下（MAT >8°C，HI >0.45）、低初始SOC（<10 g C kg?1）、高粘粉粒含量（Silt+Clay >60%）、偏酸（pH≤7.0）和低容重（BD≤1.4 g cm?3）的土壤中，保护性耕作对SOC和作物产量的提升效果最为显著。秸秆覆盖与NT结合可实现SOC提升10.65%，产量提高7.37%。此外，连续耕作模式下保护性耕作的效益优于轮作系统。

值得注意的是，保护性耕作的效益并非持续累加。SOC积累与作物产量响应均在实施第10年达到峰值（SOC +6.97%，产量+9.68%），随后逐渐下降，表明长期单一耕作模式可能存在效益饱和现象。

机制上，保护性耕作通过改善土壤物理结构（降低容重，提高孔隙度和平均重量直径）、提升养分有效性（AN、AP、AK）和增强微生物活性（MBC、MBN、PLFAs）等多路径协同促进SOC积累与作物生长。结构方程模型表明，气候因子（MAT、HI）不仅直接正向影响SOC响应，还通过调控土壤性质间接影响作物产量。初始SOC含量对SOC响应具有直接负效应，而SOC响应本身对作物产量响应存在显著正向直接效应。

该研究结论强调，在东北黑土区中低肥力、暖湿条件下的区域，采用“秸秆覆盖+无耕作”模式并在中期（约10年）内实施，可同时实现土壤固碳和作物增产的最大化效益。这一发现不仅验证了保护性耕作在黑土区的应用潜力，也为建立区域特异性的保护性农业实践提供了理论依据与优化策略。然而，研究也指出长期单一保护性耕作可能存在效益递减，建议未来结合深松、有机肥施用等配套措施以维持农业生态系统的可持续性。