10月30日，《自然》杂志旗下期刊《自然-地球科学》（Nature Geoscience）在线发表了中国农业大学资源与环境学院、养分资源高效利用全国重点实验室范明生教授课题组的研究论文《土壤有机碳增加全球作物产量》（Global crop production increase by soil organic carbon）。该研究揭示了土壤有机碳对作物产量的因果效应（causal effects），解决了长达半个多世纪以来土壤有机碳影响作物产量的争论，评价了土壤固碳对全球主要粮食作物增产的理论潜力与当前技术贡献，为全球土壤固碳与粮食安全及应对气候变化政策的制定提供新视角及理论支撑。

土壤有机碳是全球陆地碳循环最大的碳库。土壤有机碳的小幅度增加可以显著减少大气中二氧化碳的含量，2015年联合国气候变化大会(COP21)正式将土壤固碳列为缓解气候变化的有效措施之一；同时，土壤有机碳是衡量土壤肥力的重要指标，土壤固碳也被认为是实现作物产能提升和保障粮食安全的重要措施。

然而，由于作物产量是多种生态因子与管理措施综合作用的结果，而且土壤固碳与作物产能提升之间互为因果关系；因此，土壤有机碳对作物产量的因果效应一直是国际学术界的研究热点和难点；当前国际社会普遍把土壤固碳改善土壤健康带来的增产效应作为激励农民采纳固碳技术遏制气候变化的最关键驱动因素，但是，迄今为止，土壤固碳对全球及区域粮食生产的贡献并不明确。

研究团队历时近10年，基于包含66593个处理、覆盖广泛气候、土壤条件和管理措施的13662个田间试验，结合随机森林以及因果森林等机器学习算法，首先突破了过去研究方法难以区分土壤有机碳与其他因素（如气候、其他土壤性质及管理措施）对产量的影响，以及土壤固碳与产能提升互为因果关系的局限性，首次建立土壤有机碳对作物产量的因果效应关系。结果显示作物产量随土壤有机碳的增加而增加，固碳增产效应相当于氮肥增产效应的五分之一，而当土壤有机碳达到最优化水平后产量趋于平稳(图1)。证实了土壤有机碳的增产作用存在一个最优阈值，但是本研究同时发现土壤有机碳最优阈值与气候、土壤以及作物类型有关，平均最优土壤有机碳水平分别为玉米43.2-43.9 g kg-1，小麦12.7-13.4 g kg-1和水稻31.2-32.4 g kg-1 (图1)，改变学术界长期以来把20 g kg-1作为土壤有机碳产量阈值的传统认识。

图1 主要作物系统土壤有机碳对产量的因果效应关系

该研究进一步提出土壤有机碳产量差理论模型，定义土壤有机碳产量差为目前农田土壤有机碳与最优土壤有机碳阈值条件下的作物产量之差，反应单位土壤有机碳改变对产量的净影响效应；构建了全球主要粮食作物10 km x 10 km 网格的土壤有机碳产量差空间分布格局（图2 b,d,f）；全球尺度上，最大土壤有机碳产量差 (指每个气候区最优化土壤有机碳对应产量与最低土壤有机碳对应产量之差) 平均为玉米334-349 kg ha-1，小麦206-216 kg ha-1和水稻174-180 kg ha-1（图1）。干旱指数是土壤有机碳产量差最重要的解释因素，表明土壤有机碳对植物可利用水的影响可能是决定土壤有机碳产量差的重要机制。

在揭示全球粮食作物10 km x 10 km网格 土壤有机碳产量差基础上，评价了土壤固碳对全球主要粮食作物增产贡献。（1）假如将全球主要作物系统的土壤有机碳提升至最优化理论水平，即实现土壤有机碳产量差完全闭合，可增加1.2 亿吨产量，相当于全球粮食作物生产的4.3%，有望解决全球86%的粮食短缺问题。（2）而当前农田固碳技术，如免耕、秸秆还田以及覆盖作物（该技术为IPCC在指导全球温室气体排放清单核算中确定的可大规模应用的农田固碳措施），除在一些热点地区（本项目指土壤固碳增产效应前25%地区，图 2 a,c,e）有较高固碳增产效应外，在全球尺度上仅能增加2000万吨（0.7%）的粮食产量。 因此，当前技术的土壤固碳的产能效应不足以作为激励农民采纳固碳技术缓解气候变化的全球性策略与政策。

就我国而言，当前技术的土壤固碳产能效应约为530万吨，其中玉米、小麦和水稻分别为190 、160和180 万吨；但是，我国约有30%的产区处于热点区域，在这些地区当前技术仍具有较高的固碳增产作用；而我国农田土壤固碳产能提升的理论潜力巨大，分别为玉米1200万吨、小麦1400吨和水稻500万吨，总量约占我国粮食作物总产的5%。

总之，该研究揭示土壤有机碳对产量的因果效应，明确土壤固碳对解决全球食物短缺、保障粮食安全的潜力 ；然而，当前主要农田固碳技术，除在一些热点地区外，对全球粮食产能贡献小于预期；未来，进一步挖掘土壤固碳的产能提升效应迫切需要开发促进农田高效固碳的新途径与技术，以及在全球或区域尺度上，优化分配可运输有机资源到土壤有机碳产量差大及解决粮食短缺程度大的国家或地区。

图2  全球主要作物系统土壤固碳的产能提升效应空间分布

其中a,c,e 指当前技术潜力，b,d,f 指土壤有机碳达到最优阈值水平时的增产潜力，即土壤有机碳产量差

中国农业大学为该研究的第一完成单位，资源与环境学院范明生教授与美国康奈尔大学教授美国科学院院士Johannes Lehmann为本论文的共同通信作者，本校博士研究生马煜卿与美国康奈尔大学Dominic Woolf博士为本论文的第一作者，农业农村部耕地质量监测保护中心的李荣研究员，中国农业科学院农业农业资源与农业区划研究所的乔磊博士参加了该项研究。该研究得到国家重点研发计划项目(2017YFD0200108)、国家重点基础研究发展计划（973）项目（2015CB150403）、国家自然科学基金项目(31972520)以及国家留学基金委项目的资助。

范明生教授团队近年来在碳氮调控与土壤生产力、智慧养分管理的研究与应用方面取得重要进展；2022年6月在《自然-气候变化》（Nature Climate Change ）发表文章“土壤质量提高产量和作物生产的气候适应性”（Soil quality both increases crop production and improves resilience to climate change），首次系统性揭示了土壤质量对提高作物适应气候变化能力、实现增产稳产和保障粮食安全的重要作用； 2023年3月 与中国科学院南京土壤研究所等合作，在《自然》（Nature）发表文章“中国水稻可持续生产的最优施氮量策略”（Optimal nitrogen rate strategy for sustainable rice production in China），通过新的区域特定模型建立了一种兼顾农学、经济和环境效应的我国水稻体系的施氮量方法；该研究是上述工作的深入和延续。

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