農田土壤固碳與增產協同效應研究進展

徐明崗，張旭博,2，孫 楠，張文菊

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

農田土壤固碳與增產協同效應研究進展

徐明崗1，張旭博1,2，孫 楠1，張文菊1

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

農田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和實現農田持續穩定生產能力的關鍵所在。明確農田土壤固碳與作物增產的協同效應可為不同區域土壤培肥、維持和提升作物產量提供依據。農田土壤固碳明顯受到氣候、土壤屬性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、輪作制度等因素的影響，且與農田作物產量密切相關，二者具有明顯的協同效應。農田土壤有機碳與作物增產協同效應存在一定的閾值，且該閾值具有一定的區域差異。東北地區土壤有機碳閾值約為C 44～46 t/hm2，西北和華北地區約為C 22～28 t/hm2，南方地區約為C 33～37 t/hm2。經驗方程和模型模擬結果表明，在不同區域，農田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有機碳，糧食作物產量可平均提升約0.7 t/hm2，但該響應值在各地區明顯受到相應的環境及農田管理措施等因素的影響。深入理解農田固碳過程及其與作物生產力協同作用的機理，是指導不同區域合理培肥、提高土壤肥力、提高養分資源利用效率的關鍵舉措。未來的研究方向和重點是明確不同區域農田土壤可實現的固碳潛力，進一步揭示集約化種植下農田土壤有機碳的固存機制，關注深層土壤有機碳固定對作物增產潛力的影響及貢獻，并深入分析表征環境、人為因素等對農田土壤固碳增產協同效應的影響機制及調控原理。

長期試驗；土壤有機碳；作物產量；協同效應

農田土壤有機質是土壤重要的組分之一，其物理、化學性質及其分解、固定過程能夠直接或間接地決定土壤質量 (如土壤結構的穩定性、土壤肥力狀況及生態環境功能等)，是作物高產穩產的基礎[1]。此外，土壤有機碳是大氣中CO2主要的源和匯[2]，在溫室氣體的動態變化中起著重要作用[3]。

過去三十年，我國一直面臨著保障糧食安全和減緩溫室氣體 (GHG) 排放的雙重挑戰。我國擁有世界22%的人口，但耕地面積只占全世界的7%，玉米和小麥產量只占世界生產量的20%和17%[4]。為保障我國糧食安全、提高農作物單產和提升土壤肥力，需要確保土壤肥力水平不下降或逐步提升[5]，而土壤有機碳水平是土壤肥力的重要指標之一。目前，我國農田耕層土壤有機碳的平均濃度約為10～30 g/kg[6–7]，遠低于歐、美等發達國家[9](25～40 g/kg)，這也是限制作物高產品種增產潛力發揮的重要因素。因此，提高農田土壤有機碳是維持我國農業可持續發展的關鍵環節之一。一方面，提高農田土壤有機碳水平，對于土壤肥力的提升具有明顯的促進作用，不僅能有效改善土壤的物理結構和持水性能，也能顯著增強養分的供應能力，從而促進作物的高產穩產。另一方面，提高土壤有機碳水平，增加農田土壤的有機碳固定，對于減緩大氣CO2濃度升高和氣候變化具有重要的意義。然而，土壤有機碳的周轉是一個復雜而漫長的地球化學過程，加之我國地域遼闊，跨越多個氣候帶，土壤類型和種植制度多樣，作物的增產和土壤固碳過程均受到諸多因素如氣候、土壤性質、農田管理措施、土地利用方式、種植制度、耕作等人為活動的影響。因此，在氣候變化大背景下，闡明土壤有機碳提升與作物增產之間的相互關系，明確土壤固碳對于維持或者增加作物產量的貢獻，不僅對于區域合理的土壤培肥、提升土壤肥力和促進作物增產方面具有重要的實踐指導意義，也可為如何應對日益惡化的氣候所帶來的負面作用提供科學依據。

1 農田土壤有機碳固定的影響因素

在全球尺度上，陸地土壤有機碳庫的儲量(0—1.0 m深度) 大約為1500 Pg[13]。據估算，約有三分之一的土壤有機碳儲存于森林生態系統，另外三分之一在草原，剩余的三分之一在濕地、農田和其他的生物群體[8]。而每年全球土壤呼吸釋放的碳 (C)大約為(98 ± 12) Pg[9]，是化石燃料燃燒排放量的十倍以上 (7.2 Pg)。因此，通過不同途徑將有機碳固定到土壤中，可以有效消減大氣二氧化碳濃度及其溫室效應，成為目前研究的熱點之一。土壤固碳是通過提高大氣中碳向陸地生物圈轉化的凈轉化來實現。土壤有機碳的固定取決于系統輸入與輸出的平衡，所有影響系統輸入和輸出的因素都會影響土壤有機碳的固定。一般來說，土壤碳固定是通過將更多來自于凈初級生產力中的碳，固定于土壤中或者降低土壤有機質的分解速率來實現土壤碳的固定。環境水熱條件、土壤性質、農田管理措施等因素均會影響土壤有機碳的輸入與輸出。具體來說，農田土壤固碳主要受到如下因素的影響。

1.1 水熱條件

氣候因素是土壤有機碳周轉和固定的主要驅動因子。首先，氣候條件可影響作物的生長發育，進而改變來自作物根系、秸稈和殘茬的碳投入量。80年代早期我國農田秸稈碳年投入為C 0.4 Mg/hm2，到21世紀初期增至C 1.4 Mg/hm2。另外，80年代、90年代和21世紀初期我國農田有機碳總投入平均速率為1.9、2.4和2.7 Mg/(hm2·a)(包括有機肥、根茬、秸稈還田等)。其次，氣候條件可改變土壤水熱條件，影響土壤微生物種群的數量和多樣性，進而改變土壤中有機物料的分解速率和土壤有機碳的礦化速率。由于全球氣候變化，尤其是氣候變暖可能造成的負面影響，溫度的改變對土壤有機碳分解的影響機制的研究受到廣泛關注。大量研究表明，土壤有機碳分解與溫度呈指數關系，且土壤有機碳分解速率會在一定溫度范圍內隨著溫度的增加而增加。Zhu等[10]通過13C標記的方法研究發現植物根系–土壤的相互作用在決定SOM分解對溫度的敏感性上起到了關鍵作用，SOM分解的溫度敏感性與當時根系的活性升高是一致的。Gabriel等[11]的研究表明，在溫度一定并且保持田間持水量的20%～60%的情況下，溫度升高會提高土壤有機碳的分解。此外，在低溫地區，如高緯度地區，土壤有機碳分解對溫度升高更為敏感。因此，該地區土壤有機碳的明顯損失可以被認為是溫度升高所帶來的負面作用[12]。

1.2 土壤性質

土壤物理化學性質也是影響土壤有機碳轉化的重要因素。土壤為生活在其中的動物、微生物提供了生存環境，而這生存環境的優劣直接影響到其種群多樣性和數量，進而影響到土壤生物對進入土壤的有機物料的分解和轉化過程。同時，土壤本身的理化性質也決定了土壤的最大固碳潛力，能夠限制外源碳投入 (如有機肥、作物殘茬等) 所引起的土壤有機碳增加的程度[13]。土壤物理性質直接影響土壤的結構、通氣透水性，進而影響土壤的溫度和濕度，是影響土壤有機碳分解的一個重要因素。研究表明，粘粒含量越高的土壤，土壤的固碳能力越強，土壤有機碳越不易被分解[14]。Six等[13]將土壤有機碳庫分為物理保護碳庫、粘粒、沙粒緊密結合的碳庫(化學保護性碳庫) 以及生物化學保護碳庫。研究表明，土壤大顆粒和中顆粒團聚體中的有機碳對農業措施的改變反應敏感，且較微團聚體中的有機碳更易分解，即微團聚體相對于大團聚體對土壤有機碳的保護時間更長，而大團聚體的變化直接影響土壤有機碳的穩定性[15]。

土壤的化學性質，如土壤本身的有機碳含量以及其他營養元素含量等，都會影響土壤有機碳的周轉過程。在土壤有機碳含量很高的土壤中，土地利用方式決定了土壤有機碳含量的變化形式。例如我國東北黑土，其土壤起始有機碳含量遠遠高于其他土壤，但是農業活動以來，土壤有機碳急劇降低，這是因為作物碳投入不足加之土壤侵蝕的日益嚴重，使得土壤有機碳的消耗速度增加造成的。碳氮比高的土壤，土壤有機碳不易被固定。同樣的，土壤磷含量水平在一定程度上也影響土壤有機碳的固定。土壤pH值能夠影響土壤微生物活性，在湖南紅壤上，過低的pH值一方面降低作物產量從而減少了碳投入量，另一方面也降低了土壤微生物活性從而減少有機碳分解，因此導致其土壤有機碳含量的降低幅度與其他地區差異明顯[16]。

1.3 施肥

農業生產過程中，為獲得作物高產、穩產，提高作物殘茬還田量，提高土壤有效氮含量，施用氮肥和有機肥十分必要[17]。許多研究表明，提高氮肥施用量可以增加作物殘留物的還田量并且提高表層土壤有機碳的含量[18]。Alvarez對來自不同氣候、土壤、管理措施等較大范圍的137個點位的數據利用回歸模型評估了氮肥對土壤有機碳固定的影響，其研究結果顯示，在作物殘留物還田的情況下施用氮肥大約可提高土壤有機碳儲量約為 C 12.0 t/hm2[19]。與質地良好的土壤相比，氮肥能提高質地粗糙的土壤中50%以上的土壤有機碳含量[20]。

大量研究結果表明，與化肥相比，在農田土壤中施入有機肥更有利于碳的固定[16,21–22]。Xia等[23]報道了有機肥施用后，在全世界范圍內可提升33.3%的土壤有機碳含量，且提升旱地和水田土壤有機碳固定分別為 C 699.6 kg/(hm2·a) 和 C 401.4 kg/(hm2·a) 。基于我國農田長期施肥試驗，我們的研究表明，有機肥配施化肥顯著提高了旱作農田土壤有機碳含量，約以0.1～0.4 g/(kg·a) 的速率增加[16]。美國俄亥俄州的長期試驗表明，相同輪作制度下，施有機肥的土壤中土壤有機碳固定速率 [C 392 kg/(hm2·a)]顯著高于施用化肥土壤 [C 355 kg/(hm2·a)][24]。美國俄勒岡州的長期試驗 (始于1931年) 的結果表明，在冬小麥–休閑輪作制度下，持續施入有機肥處理每年的產量、土壤表層 (0—30 cm) 碳和氮含量均高于其他施肥處理，此外，除有機肥處理外其他處理的土壤有機碳含量均隨著時間的增加而逐漸下降[25]。D’Hose等[5]指出每年作物碳的歸還和動物糞便的施用減緩了因耕作損失的碳，并且添加有機肥抵消了休閑時的碳損失。Rasmussen等[26]在美國西北部的半干旱地區通過長期試驗進一步評估了影響碳固持的主要因素，他們指出與氮肥相比，施有機肥能夠降低土壤有機碳的損失，且對土壤有機碳含量具有更強的影響。這是因為有機肥能夠提供大量的外源碳輸入，對總碳輸入量的提高可以達到30%～80%。

1.4 耕作及其他因素

輪作方式也是影響土壤有機碳固定的重要因素。隨著輪作時間的延長，地下部生態系統的相互作用過程會逐漸加強，進而改變農田土壤有機碳含量。許多研究結果表明，與單一栽培模式相比，提高種植密度和實行輪作可以提高作物殘留物的產量和質量，同時也能提高土壤有機碳含量[19,27–28]。Halvorson等[27]的結果顯示，在北部大平原地區單季種植可以顯著增加土壤有機碳固定速率C 233 kg/hm2。在加拿大30年的長期試驗點位的結果顯示，與小麥–休閑制度相比，提高種植密度 (小麥–豆科牧草輪作) 可使土壤有機碳由C 36.3 t/hm2提升到C 42.2 t/hm2[29]。West等[30]利用全球67組長期農田試驗數據，發現通過實施作物輪作可使土壤有機碳的固定量提高 (0.15 ± 0.11)Mg/(hm2·a)。我們的結果表明，在我國典型旱地土壤中，輪作制度的改變也可以顯著影響土壤有機碳含量[16]。

另外，不同的耕作制度通過影響氮的有效性而影響碳的固持。保護性耕作例如免耕、壟作、少耕或者免耕播種，均能夠減少碳和氮的分解進而提高土壤有機碳含量[31–32]。一般情況下，大部分上季作物的殘留物都將以CO2的形式損失。當使用免耕措施時，由于土壤溫度變化和水分蒸發的速率降低，作物殘茬與微生物和土壤水分接觸幾率減少，從而導致作物殘余物的降解速率變緩。Halvorson等[27]研究表明，常規耕作導致土壤有機碳損失C 141 kg/(hm2·a)，而免耕可使土壤有機碳每年以C 233 kg/hm2的速率提升。Sainju等[33]研究表明，在美國田納西州東部，免耕土壤固碳速率 [C 510 kg/(hm2·yr)] 顯著高于傳統耕作土壤。另外，較慢的氮礦化和反硝化也對土壤碳、氮和水分具有更好的保護作用[34]。Bessam等[35]認為11年間耕作 (PT) 轉化為免耕 (NT) 時固碳速率提高至0.66 kg/(hm2·a)，而且通過增加土壤有機碳含量能持續提高作物產量。

2 農田土壤固碳及其增產協同效應

2.1 土壤固碳與作物產量的一般關系及定量研究方法

土壤有機碳變化對作物產量的影響是因為土壤有機碳可以通過改變土壤物理、化學性質和生物功能，進一步改變農田生產力[5]，如土壤有機碳可影響土壤結構、土壤孔隙度、水分滲透、提高土壤化學緩沖能力、生物活性和養分循環等過程[36–38]。有研究指出，土壤有機碳庫與作物產量呈正相關，如德國、美國、澳大利亞和中國均有相似的研究結果[17,39–43]。然而，另有人提出，土壤有機碳與作物產量變化沒有顯著的相關性[38,44]，或者說相關的程度取決于不同的農業生產系統，如有機農業和常規農業[45]。亞洲的多個長期試驗結果顯示，增加土壤有機碳含量對提高作物產量有積極作用，同時能維持或提高農田土壤肥力。Basamba等[46]研究證明采用保護性耕作能提高玉米的產量。Quiroga等[47]研究表明土壤有機碳含量增加改善了土壤質量，進而顯著增加大麥產量。

土壤有機碳對作物產量的影響會被其他影響因素掩蓋。而且，研究土壤有機碳庫對產量的影響存在很大的不確定性。首先，不同施肥措施不但可以提升有機碳含量，也同樣改變了營養的供應，如有機肥等[5,37,39]。此外，在使用長期試驗的數據分析其中的關系時，觀測數據易受到如季節變化、氣候條件和管理措施 (如作物品種的變化) 的影響。因此，很難量化土壤有機碳對作物產量提升作用，或者兩者間的關系仍存在較大的不確定性。就目前來看，量化土壤有機碳固存及其對作物產量的協同效應的多數研究主要通過以下兩種方法：

1) 經驗方程 有研究表明，土壤有機碳儲量和作物產量及產量穩定性之間存在著線性關系[48]或非線性的指數關系[49]。也有研究通過直線平臺方程擬合發現，土壤有機碳對作物產量的貢獻有明顯的閾值(圖1)，當土壤有機碳儲量超出一定的臨界值后就不會再對作物產量的增加起到積極作用，也就是說，作物產量受品種、氮磷鉀養分、氣候、病蟲害等影響，使得土壤有機碳不再是影響作物產量的主要因素。例如，旱地土壤土壤有機碳含量超過2%時，加拿大的艾伯達省作物產量不再因為土壤有機碳的增加而增加[50]。然而，到目前為止基于長期觀測確定土壤有機碳儲量和作物生產力的關系并且量化土壤有機碳儲量對作物產量影響的閾值的研究仍極其缺乏[49]。2) 模型模擬 賀美等[51]運用DNDC模型，對我國東北地區黑土土壤有機碳演變及其與作物產量之間的協同關系進行了量化研究。Ye等[52]運用區域模型及Web土地評價系統，評估了我國農田土壤有機碳含量對作物產量的作用，其結果認為土壤有機碳的降低解釋了7%～64%的減產。

圖1 農田土壤固碳的增產協同效應與閾值Fig. 1 The synergistic effects of enhanced SOC sequestration on crop yield and its threshold

2.2 我國農田土壤固碳的增產協同作用

在確保糧食安全的大背景下，量化土壤有機碳庫含量對作物產量的提升作用有著重要的生產實踐意義。Zhang等[53]基于我國多個典型農田長期試驗對我國農田土壤固碳速率 (0—20 cm土壤深度) 進行了分析。其結果顯示 (表1)，對于旱作農田土壤來說，長期施用化肥后，東北地區哈爾濱和公主嶺土壤有機碳基本持平，但化肥配施有機肥后，土壤有機碳均能保持不變或顯著提升，而且根據其研究中秸稈歸還量進行推算，相比不施肥的玉米和小麥增產率達29%～79%；西北干旱地區長期施用化肥后，烏魯木齊和張掖點土壤碳庫仍分別以0.19 t/(hm2·a) 和0.23 t/(hm2·a) 的速率下降，但化肥配施有機肥后，土壤有機碳固定速率明顯提升 [0.18～0.47 t/(hm2·a)]，根據其研究中秸稈歸還量進行推算，相比不施肥的玉米和小麥增產率為86%～111%和170%～370%；華北地區施用化肥或化肥配施有機肥均能提高土壤有機碳，且固碳速率為0.07～0.76 t/(hm2·a)，相比不施肥的玉米和小麥的增產率分別為102%～149%和192%～279%；南方地區施用化肥、化肥配施有機肥或秸稈均可顯著提升土壤有機碳固碳速率[0.13～0.77 t/(hm2·a)]，相比不施肥非常明顯地提高了玉米和小麥產量 (增產率分別為1021%～1679%和211%～315%)。然而，以上研究僅能從表觀上認為土壤有機碳的提高伴隨著產量的增加，或者說產量的增加伴隨著土壤有機碳的提高，并未明確量化或闡明土壤有機碳和作物產量的關系。

表 1 我國旱作系統不同施肥下土壤有機碳固定速率與作物產量增產率及穩定性[53]Table 1 Soil organic carbon sequestration rate and increasing rate and stability of crops yield under different fertilization treatments in upland of China

因此，Zhang等[49]進一步以1980年建立的全國農田肥料網和1990年建立的土壤肥力網的長期試驗為基礎，選取跨越不同氣候帶、土壤類型和輪作制度的多個有代表性和良好管理的長期試驗數據，分析顯示，相比不施肥，長期施用有機肥 (20～30年)可以顯著地提高土壤表層 (0—20 cm) 32%～87%的土壤有機碳，秸稈還田相比不施肥也可以增加26%～38%的土壤有機碳。其研究顯示，土壤有機碳對作物產量的提高作用有著明顯的閾值。在我國北方地區，當施用有機肥或秸稈還田將土壤有機碳庫 (表層0—20 cm) 提升至C 22～50 t/hm2時(東北地區為C 44～46 t/hm2，西北地區為C 26～28 t/hm2，華北地區為C 22 t/hm2)，其小麥和玉米產量相比施用化肥處理只有13%～22%的提升。然而，在南方地區，當土壤有機碳庫約提升至C 35 t/hm2后，該地區小麥和玉米產量相比施用化肥處理顯著提升。

另外，張旭博等[54]估算了不同區域農田土壤有機碳每提升C 1.0 g/kg時作物產量的增加幅度，具體來說，北方 (東北、西北、華北) 地區玉米增產0.99 t/hm2(0.66～1.22 t/hm2)、小麥增產0.96 t/hm2(0.58～0.95 t/hm2)；南方 (華南、西南) 地區玉米增產約0.596 t/hm2、小麥增產約0.19 t/hm2(0.17～0.21 t/hm2)、水稻增產約0.35 t/hm2。若各區域土壤有機碳儲量上升至對產量的最大閾值，相比2009年各地區小麥 (東北、華北、西北和南方地區分別為3.8、3.7、4.7 和 3.1 t/hm2) 和玉米產量 (東北、華北、西北和南方地區分別為5.3、6.2、5.3 和 4.4 t/hm2)(數據來自中國國家統計局)，東北、華北、西北和南方地區小麥產量可增加0.6、1.2、0.8和2.8 t/hm2，玉米產量增加 1.3、2.4、0.9 和 4.3 t/hm2，另外，在東北、華北、西北和南方地區，還分別需要C 331、74、59和286 t/hm2來填補目前表層土壤有機碳儲量與其產量影響閾值之間的差距[54]。許詠梅等[55]指出，新疆地區農田有機碳投入與作物產量有明顯的正相關關系，碳投入C 1.0 t/(hm2·a) 會相應提升小麥和玉米產量136 kg/hm2和138 kg/hm2。有研究表明，施肥持續時間分別為5年、10年、15年以及25以上時，每提升C 1.0 t/(hm2·a) 可相應提高華北平原 0.30、0.12、0.07和0.02 t/hm2的小麥玉米年產量，且該地區土壤有機碳含量的增產閾值約為C 25～41 t/hm2[56]。

此外，土壤有機碳的提升對南方地區小麥和玉米產量穩定性的提高要明顯高于北方各地區[49]。除東北地區之外，在華北、西北和南方地區，隨著土壤有機碳固定的增加，小麥和玉米的產量變異性呈顯著的指數下降，產量穩定性隨著土壤有機碳庫含量的增加而增加；大致來說，農田表層 (0—20 cm) 土壤有機碳每提升C 1.0 g/kg時，產量變異系數下降3～5個百分點。由于東北地區土壤有機碳庫水平較高 (C 30～45 t/hm2)，提高了作物對生物及非生物脅迫的抗性[57]，或是因為相比其他地區，該地區氣候的季節變化幅度和病蟲害程度較低。在華北、西北和南方地區，將土壤有機碳庫分別增加達到C 18 t/hm2和25 t/hm2后，作物穩產性達到較高水平。與北方不同，在南方地區，平衡施肥 (化肥) 并沒有減少小麥和玉米產量的變異性，但如果增施有機肥將土壤有機碳庫增加至C 30 t/hm2后，無論是小麥還是玉米產量的穩定性將有很大提高。

邱建軍等[58]基于DNDC模型的模擬研究表明，東北地區農田土壤有機碳對作物產量影響較明顯，當土壤有機碳含量減少50%時，玉米產量在20年中減少1.2 t/hm2，而當土壤有機碳含量增加50%時，玉米產量在20年中增加1.8 t/hm2；華北地區農田土壤有機碳含量減少50%時，產量減少0.7 t/hm2，而土壤有機碳含量增加50%時，產量增加0.6 t/hm2，而且在該地區土壤有機碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，作物產量約提高0.4 t/hm2；西北地區農田土壤有機碳含量增加50%時，春玉米產量增加0.6 t/hm2，而且在該地區土壤有機碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，春玉米產量約提高0.3 t/hm2；中南地區農田土壤有機碳含量減少50%時，產量減少0.8 t/hm2，而土壤有機碳含量增加50%時，產量增加0.5 t/hm2，在該地區土壤有機碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，作物產量約提高0.2 t/hm2；華東和西南地區農田土壤有機碳含量增加50%時，水稻產量提高0.7～1.5 t/hm2，在該地區土壤有機碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a)，水稻產量約提高0.2 t/hm2。我們課題組采用SPACSYS模型研究結果表明，在未來氣候變化情景下，我國北方一年兩熟種植區，農田土壤有機碳庫仍對小麥和玉米產量有明顯的增產協同效應，即小麥產量的土壤有機碳影響閾值約為C 24.3～24.1 t/hm2，玉米的土壤有機碳影響閾值為C 25.2～26.4 t/hm2；而在北方一年一熟地區，農田土壤有機碳庫與小麥和玉米產量沒有明顯的相關性[53]。

3 農田土壤固碳增產的研究價值與展望

農田土壤有機碳作為土壤肥力的核心和農業可持續發展的基礎，其周轉過程由于受到農業管理措施尤其是施肥的影響而顯得尤為復雜。深入理解我國農田土壤有機碳固定過程及其增產協同效應，可填補農田土壤有機碳固定相關研究的不足，是指導不同區域合理施肥、提升作物生產力、提高土壤肥力、減緩養分損失的關鍵，可為我國農田土壤肥力提升、實現農業可持續發展打下堅實的基礎。

然而，長期以來，有關農田土壤有機碳提升和作物增產的研究基本處于分離狀態，也就是說以往研究多為氣候、農田養分管理、耕作措施、種植制度等因素對農田土壤有機碳固定和作物產量影響的單一研究，尤其是對農田土壤有機碳固定機制與增產的協同機制并不清楚。因此，今后以下幾個方面仍有待進一步的研究。

1) 農田土壤的碳固定是系統收支產生盈余的體現，僅僅數量上的改變不足以體現其對作物的增產協同作用。因此，有關農田土壤新增部分碳在土壤中的去向與分配是體現土壤有機碳質量演變的重要研究方向。

2) 目前有關農田土壤有機碳固定對作物產量影響的研究極其缺乏，其中多數研究更是只關注了表層 (0—20 cm) 土壤有機碳的固定。深層土壤有機碳庫的變化，同樣會影響作物生長和養分運移，如根系延展、土壤物理性質、土壤氮素殘留和供應水平等多個生態學過程。因此，應當同時關注深層土壤(0—100 cm及以上) 有機碳固定對產量的影響，使該研究更加系統和全面。

3) 雖然本文推測農田土壤有機碳固定的作物增產協同效應同樣受外界因素限制，但并未明確土壤有機碳固定的增產協同效應受到哪些限制因子的影響，且未量化這些限制因子的貢獻。因此，應采用結構方程模型 (VPA) 等統計或模型手段量化上述限制因子對土壤有機碳固定的增產協同效應的影響貢獻率，才能更全面地回答不同區域土壤有機碳對產量影響閾值差異的原因。

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Advance in research of synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yields improvement in croplands

XU Ming-gang1, ZHANG Xu-bo1,2, SUN Nan1, ZHANG Wen-ju1
( 1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Beijing, 100101, China )

Soil carbon sequestration is the key to improve soil fertility and to secure and achieve sustainable and stable crop productivity. Identifying the synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yield improvement in agricultural soils could provide scientific basis for soil fertility improvement sustaining and improving crop productivity in different regions. In agricultural soils, soil carbon sequestration is mainly affected by climate, soil properties, management practices (especially fertilization and tillage) and cropping and rotation. Soil carbon sequestration is significantly correlated with crop productivity, showing obvious impact on crop productivity synergistically. There is an obvious threshold value of the synergistic effect of soil carbon sequestration on crop yield improvement. In addition, the threshold value of soil organic carbon varied among regions. For instance, the threshold value of soil organic carbon is approximately (ca.) C 44–46 t/hm2for the Northeast of China, ca. C 26–28 t/hm2for the Northwest of China, ca. C 22 t/hm2for the North China and ca. C 35 t/hm2for the South of China. Based on the results from empirical equations and model simulations, the magnitude of crop yields improvement by each 1.0 C t/(hm2·a) of enhanced soil carbon sequestration is averaged 0.7 t/hm2for wheat, maize and rice yields. It indicated that the synergistic effects of soil carbon sequestration on crop productivityimprovement was regulated by these relevant environmental factors and management practices. Understanding the underlying mechanisms of soil carbon sequestration process and interaction of the synergistic effects on crop productivity is important for guiding the improvement and enhancement of soil fertility, crop productivity and nutrient resource use efficiency. Future studies should be focused on identifying the attainable potential of soil carbon sequestration, further revealing the mechanisms of soil carbon sequestration under intensive cropping conditions, paying more attentions to the effects of soil carbon sequestration in deep soil on the improvement potential and contribution of crop yield, and quantifying the contributions and controlling theory of environment or anthropic practices to the interactions between soil carbon sequestration and crop yield improvement.

long-term experiment; soil organic carbon; crop yield; synergistic effect

2017–08–28 接受日期：2017–10–24

國家重點基金（41620104006）；國家重點研發計劃項目（2016YFE0112700）資助。

徐明崗（1961—），男，陜西楊凌人，博士，研究員，主要從事農田土壤肥力與培育研究。E-mail：xuminggang@caas.cn