《Farming System》：Impacts of inorganic and organic fertilization on soil organic carbon and crop production: a meta-analysis
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为明确不同施肥策略在区域尺度上对土壤有机碳（SOC）固存和作物产量协同提升的效果，研究人员整合中国北方主要粮食产区田间试验数据，通过荟萃分析、随机森林和结构方程模型系统评估了化学施肥（CF）、有机肥（OF）及有机无机配施（COF）的影响。结果表明，OF和COF分别提升SOC 34%和39%，显著优于CF（13%），且长期施用（>20年）效应更佳；SOC积累主要受试验年限驱动，而气候、初始SOC和土壤性质调控响应模式；产量形成路径在CF下由SOC介导，在OF/COF下则主要由土壤和管理因子直接驱动。该研究为制定区域差异化施肥策略以协同实现碳中和与粮食安全目标提供了理论依据和实践路径。
土壤，作为地球的皮肤，不仅承载着作物的生长，更是全球碳循环的关键一环。其中，土壤有机碳（SOC）如同土壤的“心脏”，深刻影响着土壤肥力、作物产量乃至大气二氧化碳浓度。然而，令人担忧的是，与自然生态系统相比，农业土壤中的有机碳储量已下降了25%至75%。施肥作为农业管理的核心措施，在维持作物生产的同时，也对土壤碳循环产生复杂影响。但一个核心的科学与实际问题尚未得到清晰解答：在不同环境和管理背景下，化学施肥、有机肥以及二者配施，究竟如何差异化地影响土壤有机碳的积累？这种积累又如何转化为作物产量的提升？这些效应是否存在显著的区域差异？为了破解这些难题，一项聚焦中国北方主要粮食产区的系统性研究得以展开。
研究人员为回答上述问题，综合运用了多种研究方法。首先，他们系统检索了截至2023年9月1日的相关文献，通过严格的筛选标准，最终纳出来自73个试验站点、包含1158个观测值的67篇研究进行荟萃分析（Meta-analysis）。在此基础上，采用线性回归模型探讨了氮输入、气候、土壤和管理因素与SOC含量的关系；利用随机森林（Random Forest）算法识别了不同施肥制度下SOC变化的关键驱动因子；并通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）和基于协方差的结构方程模型（CB-SEM）深入剖析了气候、管理、土壤属性、SOC及产量之间的直接和间接影响路径。
3.1 施肥策略对SOC的时空影响格局
研究表明，从化学施肥转向有机肥及其与无机肥配施能显著提升SOC，且长期施肥进一步凸显了SOC固存的时间依赖性。与不施肥对照相比，CF、OF和COF分别使SOC含量增加了13%、34%和39%。在区域尺度上，SOC响应表现出明显的空间异质性。在初始SOC较高的东北地区，COF效果最为显著，超过80%的站点表现出绝对SOC增量超过10 g C kg-1。而在初始SOC较低的黄淮海农区，OF显示出更强的效应，相对增益高达63.3%。长期施用（>20年）进一步放大了碳固存效果，尤其在COF处理下。
3.2 气候与土壤条件对SOC响应的调控
施肥策略对SOC的影响受到气候和土壤条件的显著调控。在年均温高于15°C、年降水量超过800 mm的地区，CF和COF的正面效应尤为明显。就土壤物理性质而言，COF在低容重土壤中效果更强，而OF在高容重土壤中更有效。在不同土壤质地条件下，OF在砂质和粘质土壤中均实现了最大的SOC提升。在养分限制条件下，SOC提升效果遵循OF > COF > CF的顺序。
3.3 农艺管理对SOC响应的调节
农艺管理措施强烈调节了施肥对SOC的提升效果。种植模式显著影响SOC响应，COF在单作制度下SOC增加最大，而OF在双作制度下更有效。氮肥施用率进一步调节这些响应：OF和COF下的SOC提升在中等氮投入下最为显著。施肥频率也有关键影响，单次施肥有利于COF下的SOC积累，而两次施肥增强了OF的效果。施肥年限至关重要，SOC增加峰值出现在施用10-20年后，其中OF效果最显著。秸秆管理也影响了施肥结果，OF在秸秆还田下更有效，而COF在秸秆移除时显示出更大的SOC增益。
3.4 SOC响应的关键驱动变量识别
线性回归和随机森林分析均表明，试验年限是不同施肥制度下SOC动态的首要驱动因子。在CF下，SOC变化主要与试验年限、年均温和全氮相关。在OF下，SOC响应更依赖于试验年限、年降水量和全氮。在COF下，试验年限、初始SOC和有机氮输入成为最重要的预测因子。偏最小二乘路径模型进一步证实，气候、管理和土壤属性的相对贡献及作用方向因施肥类型而异。
3.5 SOC-产量关系机理与氮管理策略
结构方程模型揭示了不同施肥制度下差异化的产量形成路径。在CF系统中，产量主要由SOC介导，SOC传递了气候和土壤属性的影响。相比之下，在OF和COF系统中，产量主要由管理和土壤因子的直接效应驱动，SOC的直接贡献较弱。这表明在CF系统中，产量更依赖于SOC维持的土壤肥力，而在OF/COF系统中，产量提升更多来源于有机输入对土壤物理、化学和生物性质的协同改善。
本研究通过多方法融合分析，明确了有机肥及其与无机肥配施在提升中国北方农田土壤有机碳和协同作物产量方面的显著优势，并揭示了其效应受试验年限、区域初始SOC水平、气候和土壤性质等多因子调控的机制。研究强调了施肥管理策略必须充分考虑区域初始SOC水平，并将增碳实践融入更广泛的保护性耕作体系，为实现农业可持续集约化和国家碳中和目标提供了有针对性的科学证据和实践路径。该研究指出，未来应着力于将施肥管理与其他保护性农业措施（如保护性耕作、多样化轮作）相结合，并加强政策引导，以克服有机肥源限制、成本高等现实障碍，推动农业系统的绿色转型。
