基于中国南方双季稻区14年田间定位试验分析土壤有机碳储量、作物产量的变动及其关系
农业系统固碳被认为是缓解气候变化和保障粮食安全的“双赢”措施之一。尽管当前已经有很多研究对土壤固碳、产量效应等方面进行探讨，但对长期保护性耕作下土壤有机碳储量、作物生产能力以及它们之间的关系尚缺乏一个清晰的认识，尤其是在双季稻生产系统中。因此，中国农业大学张海林教授团队在中国双季稻主产区进行了长期定位试验，对以上问题进行了研究。相关成果以“Temporal variation of SOC storage and crop yield and its relationship - A fourteen year field trial about tillage practices in a double paddy cropping system, China”为题在线发表在Science of the Total Environment 上。
本研究基于湖南省宁乡市的保护性耕作长期定位试验。耕作处理有免耕秸秆还田（NTS）、翻耕秸秆还田（CTS）、旋耕秸秆还田（RTS）以及翻耕秸秆不还田（CT）。试验起止日期为2005-2018年，共计14年。
在四种耕作措施下，0-20cm土壤有机碳储量变化均可分为快速积累阶段（2005-2007）和缓慢波动阶段（2007-2018），并且出现了碳饱和的趋向。当土壤达到碳饱和状态后，即使继续向土壤输入碳，土壤有机碳储量也不会明显增加。但是我们发现不同耕作制度下土壤达到碳饱和状态时的土壤有机碳储量是不一致的。一般来看，NTS的土壤有机碳储量更高。
各处理的产量年际变化不显著，但累计产量(2005-2018)以CTS (162.13 t ha-1)最高，其次是RTS (158.46 t ha-1)、NTS (153.99 t ha-1)和CT (149.70 t ha-1)。
水稻产量与有机碳储量呈显著的非线性关系(P<0.0001)，即水稻产量与有机碳储量之间存在一个临界阈值，当有机碳储量超过该阈值将对水稻产量产生负面影响。在本研究中，理论最高产量对应的0-20cm土壤有机碳储量为54.26 Mg ha-1，要将产量维持在>95%的理论最高产区间时，0-20cm土壤有机碳储量应保持在44.85-63.67 Mg ha-1。
图1 2005-2018年耕作处理土壤有机碳储量(0-20 cm)的年际变化
图2 不同处理的早稻和晚稻产量变化
图3 0-20cm土壤有机碳储量与水稻产量的关系。红线表示在此有机碳储量范围内，水稻产量可达到理论最高产量的90%以上。蓝线表示在此有机碳储量范围内，水稻产量可达到理论最高产量的95%以上
研究表明，创新耕作策略（如保护性耕作）可以在土壤达到碳饱和前提高有机碳储量，但是考虑到碳储量与水稻产量的关系，将土壤有机碳储量维持在合理范围，并优化土壤有机碳的分布，要比持续提高土壤有机碳含量更有利于实现水稻生产的可持续性。
参考文献
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联系作者:
张海林，教授/副院长，博士生导师，中国农业大学农学院，Email: hailin@cau.edu.cn