土壤质量调控中国谷类作物系统管理改良的产量增益

《Agriculture》：Soil Quality Shapes Yield Gains from Improved Management in China’s Cereal Systems

　　

摘要专业翻译 通过改良田间管理来挖掘未实现的作物生产潜力对可持续农业具有重要意义，但其收益可能取决于土壤条件。本研究旨在确定土壤质量如何调节中国玉米、小麦和水稻系统中管理改良的产量增益。研究验证了两个假设：（1）较高的土壤质量与较小的相对产量缺口（relative yield shortfall）相关；（2）技术效率（technical efficiency, TE）改良所带来的产量增益取决于土壤质量。利用中国各地的田间观测数据，研究人员量化了品种特异性可达产量（attainable yield）与实际田间产量之间的差异，并结合随机前沿分析（stochastic frontier analysis, SFA）、随机森林（random forest, RF）建模和情景分析（scenario analysis）进行研究。与低质量土壤相比，高质量土壤上玉米的相对产量缺口低8.4个百分点（percentage points, pp），小麦低11.0 pp，水稻低11.8 pp。然而，产量缺口对TE改良的敏感性在玉米和小麦中随土壤质量提高而下降，在水稻中则随土壤质量提高而上升。因此，在玉米和小麦中，较好的土壤部分补偿了低效管理造成的产量损失，而在水稻中，较好的土壤则使管理改良获得更大的收益。土壤有机质（soil organic matter, SOM）和有效磷（available phosphorus, AP）是与玉米和小麦产量缺口降低相关的主要土壤属性，而有效钾（available potassium, AK）和pH值对水稻的影响更大。情景分析表明，土壤改良与TE改良相结合可使玉米的预测相对产量缺口降低8.7 pp，小麦降低8.9 pp，水稻降低15.1 pp。空间优先化分析进一步确定了土壤导向、管理导向或综合干预措施潜力最大的区域。这些发现揭示了土壤条件与TE相关产量缺口缩减之间的作物特异性关联，并为通过田间试验评估土壤和管理干预措施提供了基于模型的优先方向。

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一、研究背景与科学问题

在全球粮食需求持续增长而耕地扩张日益受限且环境代价高昂的背景下，提高现有农田的作物生产力已成为保障粮食安全的核心议题。实际产量与可达产量之间的差距长期被用于揭示在现有农业生态条件下尚未实现的产量潜力。然而，管理改良带来的产量增益在不同田块间并非均匀一致：当土壤条件限制根系生长、养分吸收、水分保持或pH适宜性时，更好的管理可能仅有较低边际回报，额外投入还可能增加环境压力而难以有效回收未实现产量。土壤质量因此不仅是作物生长的背景决定因素，更是管理改良收益的调节器。

中国为检验这一交互作用提供了重要背景。玉米、小麦和水稻主导国家粮食生产，但三者面临不同的土壤约束、水分状况和管理环境。已有研究表明，通过改良农艺管理，中国谷类产量可继续提升并同时降低环境成本；但集约化管理的中国农田同时面临有机质耗竭、养分失衡和酸化等持续性的土壤质量问题。在此背景下，一个关键科学问题尚未得到充分解答：管理改良的生产效应是否具有一致性，抑或其回报受土壤质量条件的制约？

二、研究目标与假设

研究人员旨在量化土壤质量如何影响中国玉米、小麦和水稻系统中因管理欠佳导致的未实现产量，以及技术效率改良的回报。研究检验了两个假设：（1）较高的土壤质量与较小的相对产量缺口相关；（2）与技术效率改良相关的产量缺口缩减取决于土壤质量。第二个假设允许两种可能响应：较好的土壤可能部分补偿低效管理，留下较小的可回收缺口；或者缓解土壤约束，使管理改良产生更大增益。

三、主要技术方法

研究人员整合了来自中国国家耕地质量监测网络的田间观测数据，涵盖2023—2024年1077个监测点的5548条观测记录，其中玉米2129条（673个点位）、小麦1404条（312个点位）、水稻2015条（364个点位）。研究采用品种审定试验的最高平均产量作为品种特异性可达产量基准，计算相对产量缺口。核心方法包括：构建土壤质量指数（soil quality index, SQI），采用随机森林回归估计六项土壤指标（有机质、有效磷、有效钾、pH、容重、土类）的权重；对各作物分别拟合随机生产前沿模型（stochastic production frontier）估计技术效率；建立混合效应模型检验TE与SQI对产量缺口的交互效应；利用随机森林和偏依赖曲线识别关键土壤属性及其目标阈值；通过情景分析比较土壤改良、TE改良及两者组合的预测效果；采用普通克里金插值进行空间制图并划分干预优先区。

四、研究结果

4.1 高质量土壤使实际产量更接近可达产量

玉米、小麦和水稻的平均实际产量分别为9.59、6.65和7.26 t ha^?1，可达产量分别为13.20、8.24和9.32 t ha^?1，对应平均相对产量缺口分别为26.6%、19.6%和22.0%。土壤质量对所有作物均产生一致的缺口收窄效应：实际产量随SQI显著上升，而可达产量响应较弱。按SQI三分位分组，玉米相对缺口从低质量组的31.4%降至高质量组的23.0%，小麦从26.2%降至15.2%，水稻从28.5%降至16.7%，组间差异均具有统计学显著性。

4.2 土壤质量改变了产量缺口对技术效率的响应

土壤质量以相反方向改变了玉米、小麦与水稻的TE响应。玉米和小麦中，产量缺口敏感性（定义为TE提高10 pp所对应的相对缺口预测缩减量）随SQI显著下降，斜率分别为每单位SQI ?11.06 pp和?5.04 pp，表明较好的土壤已部分缓冲了低效管理造成的产量损失，呈现补偿性机制。水稻则呈现相反模式，敏感性随SQI上升，斜率为每单位SQI +8.16 pp，表明较好的土壤扩大了管理改良发挥作用的空间，呈现能力释放机制。

4.3 作物特异性土壤约束解释了补偿性与协同性路径

随机森林分析显示，各作物主导产量缺口缩减的土壤属性存在显著差异。玉米中，土壤有机质（SOM）为最重要土壤变量，目标阈值为27.7 g kg^?1，低于阈值的田块提升至目标后平均预测缺口缩减1.57 pp；有效磷（AP）为第二关键属性，目标值为102.8 mg kg^?1，平均缩减0.92 pp。小麦中，AP为主导约束，阈值为75.5 mg kg^?1，平均缩减1.72 pp；SOM为第二属性，阈值为24.3 g kg^?1，平均缩减0.42 pp。玉米和小麦的响应区间均呈补偿性特征：土壤属性改良降低未实现产量的同时降低或平缓了TE敏感性。水稻则不同，关键属性为有效钾（AK）和pH，AK目标值为141.6 mg kg^?1，平均缩减0.79 pp；pH最适范围为5.40–7.12，平均缩减1.60 pp。水稻的响应呈协同性特征：改良AK和pH在降低未实现产量的同时提高了TE敏感性。因果森林稳健性检验支持了上述方向性结论。

4.4 空间靶向与情景分析确定了干预策略

情景分析表明，当前条件下玉米、小麦和水稻的预测剩余缺口分别为26.4%、19.5%和21.6%。土壤改良单独作用使缺口分别降至23.4%、17.2%和19.2%，直接缩减3.0、2.3和2.4 pp。TE提高10 pp产生的缩减更大，分别降至20.3%、12.5%和9.7%，对应缩减6.1、7.0和11.9 pp。综合情景（土壤改良+TE改良）产生最低缺口：玉米降至17.7%（缩减8.7 pp），小麦降至10.6%（缩减8.9 pp），水稻降至6.5%（缩减15.1 pp，相当于当前预测缺口的近70%）。玉米和小麦的综合增益略小于单独增益的算术和，反映补偿性机制；水稻的综合增益大于算术和，反映协同性机制。空间优先化显示，玉米以综合干预区为主（占53%），小麦以土壤优先区为主导（占78%），水稻土壤优先区占57%、综合区占26%。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，土壤质量不仅是作物生产的背景条件，更是可开发产量缺口的调节器。较好的土壤缩小了农民产量与可达前沿之间的距离，而非简单平行抬升两条曲线。在玉米和小麦中，土壤改良通过补偿性路径直接降低未实现产量并缓冲管理欠佳造成的损失；在水稻中，土壤改良通过能力释放路径扩大管理改良的增益空间。作物特异性土壤目标（玉米SOM和AP、小麦AP和SOM、水稻AK和pH）为产量缺口收窄提供了可操作的指导方向，但这些目标应视为经验响应点而非普适农艺标准。情景与空间分析表明，土壤改良与管理改良在所有作物中均具有互补性，但互补形式不同——玉米和小麦表现为风险补偿，水稻表现为能力释放。研究也承认若干局限：监测数据仅覆盖两年、土壤属性在收获期测定、品种试验基准的可比性有限、SQI涵盖属性范围有限、情景估计为条件预测而非已验证的干预效应、空间估计受采样不均和变异函数假设影响。

结论部分强调，土壤质量是中国谷类系统中产量缺口收窄的核心调节因素。较高的土壤质量与较小的相对产量缺口相关，支持生态集约化的更广泛论点。玉米和小麦中，土壤改良主要作为补偿性路径缓冲低效管理的产量损失；水稻中，土壤改良作为使能路径，创造使改良管理产生更大增益的土壤条件。这些对比机制对政策具有直接启示：土壤改良不应被视为统一干预，TE改良也不应脱离土壤条件独立推广。作物特异性土壤诊断对于设计有效的产量缺口干预措施至关重要。综合情景与空间分析表明，最大机遇来自土壤改良与管理改良的结合，但两者之间的平衡因作物和区域而异。这些发现为通过田间试验评估作物特异性土壤和管理干预措施提供了基于模型的优先方向。总体而言，可持续地缩小产量缺口不仅需要缩短当前产量与可达产量之间的距离，还需要理解决定缺口收窄是否高效、有韧性和环境可接受的生态与管理条件，而土壤质量正是连接这些目标的关键纽带之一。