土壤有机质和作物产量之间的关系

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@小白创作中心

土壤有机质和作物产量之间的关系

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来源

http://www.360doc.com/content/24/1114/18/37581541_1139349559.shtml

土壤有机质（SOM）是土壤健康的关键指标，它对作物产量的影响一直是农业研究的热点话题。本文基于对840篇相关文献的元分析，探讨了土壤有机碳（SOC）含量与作物产量之间的关系。研究发现，在2% SOC以下，增加SOC可以提高作物产量，超过2%后效果减弱。此外，文章还探讨了SOC与氮肥使用的关系，发现通过增加SOC可以减少氮肥使用量。

Emily E. Oldfield等人对1980年至2015年间发表的840篇相关文献进行了大数据分析，其中400多篇是中国科学家发表的文章。研究发现，目前世界上大约三分之二的玉米和小麦耕地的土壤有机碳含量低于2%。使用从已发表的经验数据中开发的这种回归关系，研究者们估计了SOC浓度增加到区域特定目标如何潜在地帮助减少对氮（N）肥料的依赖并帮助缩小全球产量差距。与将SOC增加相关的潜在氮肥减少分别占玉米和小麦田全球氮肥投入的7%和5%。玉米和小麦可能增产10±11%（平均±SD）和23±37%，相当于玉米预计单产差距的32%，小麦单产差距的60%。

图1 已发表研究的SOC与玉米产量之间的关系。回归线是使用我们的元数据集在不同氮输入速率下的干旱度、pH值、质地和纬度的观察平均值对雨养（即非灌溉）玉米的产量（即效应大小）进行建模。我们在从文献中提取的值范围内改变了SOC（x轴）。红线代表所有研究中的平均氮输入率（118 kgN/ha yr，底线代表0个N输入，顶线代表200 kgN/ha yr。对于原始数据点，N输入在其范围内映射为连续变量，范围从0（最小的圆圈）到500 kgN/ha yr（最大的圆圈）。请注意，观察到的单个观测值的散点是产量受多个因素控制的结果（表1），因此回归线仅隔离了SOC的潜在影响，而所有其他因素保持不变。

研究方法

研究者开发了一个定量模型，根据管理、土壤类型和气候的协同变化因素，探索SOM与玉米和小麦作物产量潜力的关系。研究发现，SOC浓度越高，这两种作物的平均产量就越高。然而，产量增加在∼2 % SOC时趋于平稳。研究者使用从已发表的经验数据中开发的这种回归关系，然后估计了SOC浓度增加到区域特定目标如何潜在地帮助减少对氮（N）肥料的依赖并帮助缩小全球产量差距。

研究结果

研究发现，目前世界上大约三分之二的玉米和小麦耕地的土壤有机碳含量低于2%。使用从已发表的经验数据中开发的这种回归关系，研究者们估计了SOC浓度增加到区域特定目标如何潜在地帮助减少对氮（N）肥料的依赖并帮助缩小全球产量差距。与将SOC增加相关的潜在氮肥减少分别占玉米和小麦田全球氮肥投入的7%和5%。玉米和小麦可能增产10±11%（平均±SD）和23±37%，相当于玉米预计单产差距的32%，小麦单产差距的60%。

图3 随着SOC浓度的增加，氮肥的潜在减少。图上的线条代表雨养玉米从上到下变化的SOC浓度–2.0 %、1.0 %和0.5 % SOC。这些线绘制在我们数据集的观察结果之上，SOC映射为连续变量，范围从0.1 %（最小圆圈）到3.0 %（最大圆圈）。我们的模型表明，通过增加SOC含量来保持产量恒定可以潜在地显着减少N输入（例如，0 N输入和2 % SOC与50 kgN/ha yr和0.5 % SOC可以实现相同的产量）。认识到0 N输入值可能会影响建模关系，因此我们分析了排除这些值的数据。如果从分析中排除0 N输入值，则定性模式保持不变;虽然绝对定量模式略有变化，但总体趋势保持不变。

研究结论

研究者发现，SOC浓度越高，SOC浓度越高，产量越高，最高可达2%。由于全球三分之二的玉米和小麦地的土壤有机碳浓度低于2%，似乎存在增加土壤有机碳以减少氮投入并可能有助于缩小全球产量差距的重要机会。研究者建议，为了获得SOM的一些营养益处，必须将其矿化并使用，因此可能需要频繁添加有机投入以维持SOM水平。此外，质地等土壤特性对土壤有机碳含量有很大影响，因为沙质较多（而不是更富含粘土）的土壤稳定土壤有机碳的表面积较小，因此比富含粘土的土壤持有的水分和养分少得多。保持沙质土壤中的SOC含量可能需要更频繁地添加有机改良剂，因为这些土壤没有表面积来保留养分、水分和稳定SOC。

研究意义

研究者强调，尽管存在不确定性，并呼吁进一步研究SOM如何影响农业绩效，可持续集约化政策已经广泛支持增加农业用地SOM的优点。据称的好处包括提高产量、增强弹性以及减少肥料和灌溉水的投入。然而，尽管围绕SOM对土壤健康的重要性存在共识，但由于缺乏SOM目标设定的预测能力，无法为专注于产量和减少肥料和灌溉的管理工作提供信息，因此阻碍了将SOM政策转化为实践。研究者认为，他们的分析有助于为SOC目标建立一个量化框架，作为可持续集约化工作的一部分，实现可衡量的农业成果。它量化了SOC对产量的潜在影响大小，同时还考虑了影响作物产量的气候、土壤和管理变量。

局限性与未来方向

研究者也指出了研究的局限性。例如，研究数据主要来自温带和热带湿润地区，且大部分数据来自中国，这可能会影响结果的普遍性。此外，研究者强调需要进一步的实验研究来完善SOC-产量关系，特别是在不同土壤和气候条件下。这些研究将有助于为实践者提供更具体的指导，帮助他们平衡SOC构建的潜在好处与固有的后勤挑战。