土壤有机质与作物产量关系研究：全球840篇文献荟萃分析

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@小白创作中心

土壤有机质与作物产量关系研究：全球840篇文献荟萃分析

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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，对作物产量有着重要影响。一项基于840篇文献的元分析研究揭示了土壤有机碳（SOC）与玉米、小麦等主要粮食作物产量之间的关系。研究表明，在SOC含量低于2%时，增加SOC可以显著提高作物产量，但超过2%后，增产效果趋于平稳。此外，通过增加SOC还可以减少氮肥使用量，降低农业对环境的影响。

研究背景与目的

增加农作物产量的压力导致农业用地面积扩大，并通过灌溉和施肥等做法加强农田管理。这些做法导致土地和水资源的退化，促使可持续集约化举措，以提高现有农田的产量，同时减少农业对环境的影响。土地退化的一个迹象是土壤有机质（SOM）的损失。在农田中重建SOM有望提高土壤肥力，因为SOM会影响土壤的许多特性，包括它们保持水分和养分的能力，提供促进有效排水和通气的结构的能力，以及最大限度地减少因侵蚀造成的表层土壤损失。因此，管理SOM以确保稳定和持久的作物生产力并减少对矿物肥料和灌溉等外部投入的依赖已被确定为可持续集约化的关键组成部分。

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

研究团队收集了1980年至2015年间发表的840篇相关文献，重点关注玉米和小麦的产量与土壤有机碳（SOC）含量的关系。研究采用了线性混合模型（LMM）分析方法，考虑了包括SOC、氮肥用量、作物类型、灌溉、干旱指数、纬度、pH值和土壤质地在内的多个因素。研究发现，SOC含量在2%以下时，增加SOC可以显著提高作物产量，但超过2%后，增产效果趋于平稳。

主要发现

SOC与产量的关系：在全球层面，特别关注SOC对产量的潜在影响大小，研究发现产量的最大增益发生在SOC浓度为0.1%和2.0%之间。例如，1.0 % SOC的产量是0.5 % SOC的1.2倍。在大约2% SOC的浓度下，产量增加趋于平稳。2%的SOC以前被认为是一个临界阈值，低于此浓度的值会威胁到结构，并最终威胁土壤的功能。
氮肥与SOC的交互作用：研究发现，通过增加SOC含量来保持产量恒定可以潜在地显着减少氮肥的使用。具体来说，将SOC从0.5 %增加到1.0 %可能会维持当前的产量，并将肥料投入减少大约一半。在较高的氮输入量（≥200 kg N ha-1）下，从0.5 %增加到2.0 % SOC可能会使每公顷合成氮输入减少高达70 %。
全球产量差距的潜在缩小：研究发现，将SOC浓度提高到既定目标有可能使玉米每公顷的平均产量增加10±11%（平均±SD），小麦平均产量增加23±37%。这些产量的增加意味着全球玉米和小麦的年产量分别增加了5%和10%。这些产量的增加将缩小全球玉米32%的产量差距和60%的小麦产量差距。

图2 土壤有机碳含量低于2%的全球玉米和小麦地。土壤有机碳含量低于2%的耕地（a）玉米和（b）小麦地。大约三分之二的玉米（61%）和所有小麦（64%）产区位于土壤有机碳含量低于2%的土壤上。地图上的黑色区域是有机碳浓度超过2%的耕地玉米和小麦田。产量数据来自EarthStat，土壤有机碳数据来自ISRIC SoilGrids。

研究意义与建议

研究结果表明，在农业用地上构建SOM可能会提供足够的植物可用养分来维持作物产量，同时大幅减少氮肥投入。然而，研究也指出在农业土壤中构建SOM存在固有的后勤挑战，需要考虑其动态性质。例如，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，土壤质地、气候等因素也会影响SOM的构建和维持。

研究建议，未来需要进一步开展复制良好的实验研究，结合多种土壤和气候类型的不同管理策略，以开发可应用于特定当地农场条件的SOC-产量关系。这些研究最好报告与土壤质地和矿物学、养分管理以及SOC产量观察相关的数据，并将SOC带到有意义的深度，例如代表植物生根深度的深度。这些实验研究将有助于生成信息，从业者可以通过考虑SOC的潜在好处来为管理层提供信息，并将SOC构建到目标水平的固有和后勤挑战进行比较。