免耕结合秸秆还田缓解了中国西北干旱区土壤有机碳—产量权衡：一项元分析与机器学习研究

《European Journal of Agronomy》：No-tillage combined with straw return mitigates the SOC-yield trade-off in drylands of Northwest China: A meta-analysis and machine learning study

　　

量化土壤有机碳（SOC）储量与作物产量的共变性和耦合关系。免耕（NT）加剧了SOC-产量间的权衡关系，而免耕结合秸秆还田（NTSR）则逆转了这一权衡关系。免耕和秸秆还田表现出SOC阈值，而免耕结合秸秆还田则克服了这些阈值。免耕结合秸秆还田提高了在新疆等地区单一免耕实现协同效应的概率。免耕结合秸秆还田通过改善土壤养分的相互作用和有效性实现了更强的协同效应。

引言
全球农业生产正面临日益增长的全球粮食需求与气候变化影响的双重压力（IPCC, 2023; Hultgren等, 2025）。增强农业土壤的土壤有机碳（SOC）储量被广泛认为是应对这些挑战的可行策略（FAO, 2022; Vendig等, 2023）。然而，存在一个基本但常被忽视的权衡关系：长期碳汇固定以缓解气候变化与短期碳矿化以供应作物养分之间存在矛盾（Janzen, 2006, Moinet等, 2023）。这一挑战在中国西北地区尤为严峻，该地区是典型的干旱且生态脆弱的农业区。长期集约化耕作导致SOC储量较耕作前水平损失30-50%（Chen等, 2023, Gao等, 2025）。SOC流失与持续干旱、固有土壤肥力低和水蚀共同作用，加剧了该地区对气候变化的脆弱性，并显著增加了作物产量损失的风险（Li等, 2018）。因此，在干旱地区如中国西北，协调长期SOC固存与短期养分释放以提高作物生产力，对于实现可持续集约化农业至关重要。

众多研究表明，合理的农业管理措施可以通过调节生物地球化学循环和减缓SOC流失，增强SOC固存和作物生产力（Oldfield等, 2019, Liao等, 2025, Chen等, 2026）。免耕（NT）通过最小化土壤扰动，被广泛采用以减少土壤侵蚀和增强SOC固存（Jia等, 2019, Cao等, 2023）。通过保护土壤结构，它有效限制了侵蚀，防止了因土壤团粒结构破坏导致的SOC流失（Huang等, 2015, Jia等, 2019）。然而，在旱地农业系统中，免耕的效益可能被土壤容重增加、降雨入渗减少和作物根系发育受限所抵消，这些因素共同增加了产量下降的风险（Li等, 2022, Chen等, 2026）。针对中国西北的荟萃分析反映了这种复杂性，报告了不一致的产量响应——包括增产（Minhua等, 2018）、无显著影响（Qin等, 2024）甚至减产（Xue等, 2024）。这种未解决的变异性在区域尺度上加剧了SOC固存与作物生产力之间的权衡关系。

秸秆还田（SR）被认为是同时增强SOC储量和作物生产力的协同策略。它通过增加生物量碳输入（Zhang等, 2023b）、改善土壤团粒稳定性（Chen等, 2025）和增强土壤生物多样性（Zhang等, 2024b）促进SOC固存。此外，还田秸秆的分解会释放养分，通过减少蒸发来保持土壤水分，从而刺激作物生长（Guan等, 2020）。尽管有这些好处，但在中国西北的效果受限于低温和有限降雨下的缓慢分解速率（Zhang等, 2023a）。证据表明，免耕结合秸秆还田（NTSR）可以缓解单一免耕和秸秆还田的局限性，如外源碳输入不足、容重增加和降雨入渗率低（de Camargo Santos等, 2025）。然而，在实际农业管理中，单一措施（仅免耕或仅秸秆还田）的应用仍然占主导地位（Yan等, 2024）。之前在中国西北旱地的研究主要单独评估SOC固存变化或作物产量，未能全面量化在免耕、秸秆还田和免耕结合秸秆还田下二者的耦合关系。因此，仍不清楚通过农业措施增加SOC固存是否以产量下降为代价，以及它们在SOC固存与作物产量形成之间的关键调控作用。

农业措施对SOC储量和作物产量的影响高度依赖环境背景（Liu等, 2025）。Pittelkow等（2015a）观察到免耕在低降雨地区的产量潜力大于高降雨地区。类似地，在干旱和水资源短缺地区，秸秆还田往往比免耕提供更大的农学效益（Xiao等, 2019），而在较冷气候下，由于分解减缓，其优势减弱甚至变得有害（Li等, 2022）。此外，这些措施的有效性还显著受土壤特性和田间管理策略的调节。Lin等（2023a）证明，在初始SOC和总氮含量较低的土壤中，农业措施对SOC和作物产量均产生更大的正向影响。同样，Zhang等（2025）确定氮肥施用量和试验持续时间是关键因素，在很大程度上解释了不同措施下作物产量和SOC的变化。尽管这些见解很有价值，但在中国西北旱地，免耕、秸秆还田和免耕结合秸秆还田协同增强SOC固存和产量的主要驱动因素、区域适宜性和变异性仍不充分量化。这一知识缺口从根本上限制了制定针对性有效农业策略。

荟萃分析是一种强大的工具，用于综合零散的实证结果，并基于已发表的证据定量整合农业措施对SOC固存和作物生产力的持续效应（Wallace等, 2017）。然而，传统荟萃分析往往难以解析复杂的交互关系，无法捕捉不同环境条件下的空间异质性模式，限制了SOC-产量关系的区域外推和机制解释。荟萃分析与机器学习的结合可以有效弥补这些局限性（Jagdeep-Singh等, 2023），因为它不仅能定量综合大量异质性观测数据，还能高效识别控制SOC固存和作物产量的非线性响应和核心调控因素。更重要的是，它特别适用于区域尺度的空间协同概率预测，使其成为探索旱地农业生态系统中复杂SOC-产量交互关系及其区域变异性的最佳方法（Liu等, 2024, Xu等, 2025, Song等, 2026）。因此，我们采用结合荟萃分析和机器学习的综合方法实现以下目标：ⅰ）量化免耕、秸秆还田和免耕结合秸秆还田对中国西北SOC储量和作物产量的综合影响；ⅱ）确定调控SOC固存与作物产量平衡的关键驱动因素；ⅲ）预测不同农业措施下SOC-产量协同效应的空间概率；以及iv）阐明控制旱地农业生态系统中土壤碳管理与农业生产力之间协同与权衡的核心机制。基于现有知识，我们提出以下可检验假设：1）与单一免耕或秸秆还田相比，免耕结合秸秆还田在同时促进SOC固存和作物产量、协调其内部权衡关系方面表现出更强的能力；2）气候和土壤特性显著调节SOC固存与作物产量之间的协同或权衡关系，导致协同效应的区域差异；3）土壤养分状况与不同保护性农业措施下SOC固存和作物产量的协同响应密切相关。

数据收集
通过中国知网（CNKI；http://www.cnki.net）和Web of Science（http://apps.webofknowledge.com/）数据库，对1980年1月1日至2025年7月1日期间发表的同行评审文章进行了全面文献检索。检索使用了包括"no tillage"（免耕）、"straw returning"（秸秆还田）、"yield"（产量）、"SOC"（土壤有机碳）、"China"（中国）、"conservation tillage"（保护性耕作）、"straw mulching"（秸秆覆盖）和"soil quality"（土壤质量）等关键词。检索到的文章按照预定义标准进行筛选。

作物产量与土壤有机碳储量之间的协同效应与耦合关系
结果表明，在免耕下作物产量与SOC储量之间存在权衡关系，而秸秆还田和免耕结合秸秆还田则表现出协同效应（图2a）。具体而言，免耕显著增加了SOC储量8.33%，但同时使作物产量减少了5.07%（P<0.05）。相比之下，秸秆还田显著提高了作物产量和SOC储量，分别提高了7.90%和8.65%。免耕结合秸秆还田有效缓解了单一免耕下观察到的权衡关系，使作物产量和SOC储量分别提高了12.41%（P<0.05）和

农业措施驱动的土壤有机碳储量与作物产量的共变
旱地农业生态系统的脆弱性增加了SOC流失和作物产量下降的风险。尽管免耕和秸秆还田等保护性措施已被广泛研究，但大多数研究忽视了SOC固存与产量增加之间的权衡关系（Janzen, 2006, Moinet等, 2023）。平衡这一权衡关系对于区域农业的可持续集约化至关重要。我们的研究在中国西北干旱地区发现了显著权衡，其中免耕

结论
这项综合评估表明，免耕结合秸秆还田平衡了单一免耕下观察到的SOC固存与作物产量之间的权衡关系，缓解了单一秸秆还田固有的基线碳限制，在中国西北旱地中表现出三种措施中最强的协同效益。其优异表现可能与增强的物理保护和养分供应有关，这些措施改善了土壤养分库、酶活性和微生物生物量。由免耕结合秸秆还田驱动的SOC

作者贡献声明
Yafei Chen：撰写-原稿，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。Dajie Zhang：方法论，调查研究，形式分析，数据管理。Yu Zhu：方法论，调查研究，数据管理。Baoli Song：调查研究，数据管理。Hui Wang：调查研究，数据管理。Wenjia Yang：撰写-审阅与编辑，监督。Lina Yin：撰写-审阅与编辑，方法论，资金获取，概念化。Shiwen Wang：撰写-审阅与编辑，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的经济利益或人际关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢
本研究得到中国国家重点研发计划（2022YFD1901605）的支持。

Yafei Chen|Dajie Zhang|Yu Zhu|Baoli Song|Hui Wang|Wenjia Yang|Lina Yin|Shiwen Wang