长达十年的保护性耕作通过改善中国东北平原的土壤健康状况，提升了农作物产量

《European Journal of Agronomy》：Decade-long conservation tillage enhances crop productivity by improving soil health in the Northeast China Plain

　　

张伟健|冯静怡|白学彦|姜璐|王坤杰|高磊|顾思宇

中国东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150038

摘要

保护性耕作作为一种变革性的农业实践，具有恢复土壤健康与维持可持续作物生产力的潜力，但其长期效果及提高产量的机制仍不明确。2014年至2024年间，我们实施了四种耕作方式（NT：免耕；MT：覆盖物耕作；ST：条带耕作；CT：传统耕作），以研究保护性耕作如何重塑土壤功能并提升作物生产力。结果表明，保护性耕作（NT、MT、ST）显著改善了土壤物理性质（如温度调节、水分保持和结构稳定性）。土壤物理性质的变化有利于提高土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、有效养分、微生物生物量及酶活性（脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶等）。其中免耕（NT）的效果最为显著（SOC增加4.62%-25.58%，关键酶活性增加20.01%-152.99%）。与传统耕作（CT）相比，保护性耕作系统使玉米产量提高了3.06%-23.73%，土壤质量指数（SQI）提高了156.55%-499.42%，其中免耕和覆盖物耕作表现更为突出。SQI与产量之间存在强相关性（R2=0.798，P<0.01），表明保护性耕作在维护土壤健康和生产力方面具有优势。这些发现为在中国东北黑土区及其他类似农业生态区推广保护性耕作技术提供了实证依据，并为制定平衡土壤健康保护和粮食生产能力提升的农业可持续发展政策提供了科学支持。

引言

以深度翻耕和频繁扰动土壤为特征的集约化传统耕作（CT）一直是全球粮食生产的支柱（Miheli?等人，2024年）。保护性耕作作为一种变革性模式，旨在通过减少土壤扰动、保留作物残茬和优化资源利用来协调农业生产力与生态韧性（Ma和Shi，2024年）。中国东北平原是全球三大黑土区之一，也是中国的核心商品粮生产基地，对保障国家粮食安全具有不可替代的战略意义。然而，数十年的连续传统耕作导致该地区黑土严重退化，包括土壤有机碳（SOC）大量流失、团聚体结构破坏、土壤侵蚀加剧以及肥力逐渐下降。此外，该地区具有典型的温带季风气候，温度和降水量季节变化明显，传统耕作导致的土壤物理性质恶化进一步降低了土壤保水能力和热稳定性，加剧了气候变化下的玉米产量不稳定。因此，中国东北平原成为探索可持续农业实践以逆转土壤退化和维持粮食生产能力的关键区域。研究保护性耕作对该地区土壤健康和作物生产力的长期影响，不仅对恢复当地农业生态系统的生态韧性至关重要，也为全球面临类似集约化农业利用压力的黑土区提供了可持续管理的典型区域模型。

与传统耕作相比，保护性耕作通过减少机械扰动维持土壤生物栖息地的连续性，利用残茬覆盖改善地表微气候，并通过根际微生物相互作用促进碳和氮的固存（Meng等人，2024年；Wang等人，2025年）。北美早期的研究表明，免耕在十年尺度上使SOC储量增加了10%-20%，主要通过减少分解和增强碳固存实现（Lal，2004年）。现有研究证实，保护性耕作可增加地表SOC含量、减少侵蚀、保持土壤水分并降低农业机械能耗（Colunga等人，2025年；Nouri等人，2019年）。尽管已证实保护性耕作在短期内具有提高土壤水分保持能力和减少侵蚀等明显优势，但仍存在关键知识空白：其对土壤质量的长期影响及其对农业生产力的下游效应尚未得到充分量化。

一项荟萃分析显示，与传统耕作相比，免耕在五年内使玉米产量提高了8%，但在某些地区十年后产量优势减弱（Qin等人，2024年）。需要持续观测以确定SOC随实验时间的变化情况。酶活性不仅反映了当前的土壤健康状况，还能预测未来的养分可用性，因为它们调控着有机物的周转和植物可利用养分的释放（Feng等人，2025年）。忽视这些生化途径可能会错过揭示耕作、土壤功能和作物产量之间因果关系的机会。土壤质量指数（SQI）旨在将多个参数整合为一个指标，但其应用于评估长期耕作对产量稳定性的影响仍有限。为填补这些空白，开展长期田间试验至关重要。十年尺度的研究能够捕捉到SOC积累、微生物群落演替及土壤结构逐渐变化等缓慢过程，这些在短期试验中难以体现。本研究结合了为期十年的田间试验和多维土壤功能指标，从而弥合了短期观测与长期可持续性之间的差距。该研究为理解保护性耕作的影响提供了罕见的纵向视角。

在此背景下，我们的研究旨在：1）探讨十年内不同耕作方式如何改变土壤的物理（温度、水分和结构）、化学（SOC、总养分、有效养分）和生物（微生物生物量和酶活性）性质；2）量化这些变化对SQI和玉米产量的影响；3）建立耕作方式、年份、土壤性质、SQI和产量之间的因果关系，以确定调节耕作-产量关系的关键因素。从实际应用角度来看，本研究为基于证据的耕作方式选择提供了重要依据。在政策制定者和农民面临即时产量需求与长期土壤健康之间的权衡时，我们的发现可以为设计既能提高生产力又能确保可持续性的耕作系统提供参考。最终，这项研究为实现可持续发展目标2（零饥饿）和目标15（陆地生命）做出了贡献，证明保护性耕作不仅是环境保护的必要措施，也是保障未来几代人粮食安全的途径。

章节摘录

试验地点描述与实验设计

本试验始于2014年，地点位于黑龙江省齐台河市的北兴农场（46°20′N，131°45′E）。北兴农场年有效积温约为2400℃，属于温带季风气候，位于第三温带累积区。年平均气温为2.7℃，年降水量为550毫米，年平均日照时间为2400小时。所种植的玉米品种为Demea 3。

土壤温度和土壤含水量

2019年至2023年间，随着季节的推进，土壤温度先逐渐升高达到峰值，随后又逐渐下降（图2a）。不同耕作方式下的土壤温度存在显著差异。免耕（NT）和条带耕作（ST）在升温方面更有效，其峰值温度明显高于其他耕作方式。保护性耕作（NT、MT）的温度变化较小，对土壤温度的调节更为稳定，而传统耕作（CT）

讨论

了解保护性耕作系统如何改变土壤功能和作物生产力对于向可持续农业转型至关重要。我们通过长期定位试验（2014–2024年）整合了土壤温度、水分保持、物理化学性质、酶活性、土壤质量指数（SQI）和玉米产量，揭示了免耕（NT）、覆盖物耕作（MT）和条带耕作（ST）与传统耕作（CT）的连锁效应。结果表明，保护性耕作系统通过改善结构稳定性、提高养分

结论

长期实施保护性耕作（NT、MT、ST）通过创造有利的土壤条件显著提升了土壤质量和作物生产力。保护性耕作改善了土壤温度和水分调节能力，增强了土壤结构，提高了SOC、养分含量和酶活性，从而提升了土壤质量和玉米产量。此外，酶计量分析显示，各种耕作系统中普遍存在磷限制问题，这表明

作者贡献声明

高磊：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理、概念构思。顾思宇：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、方法论、资金争取、概念构思。张伟健：初稿撰写、方法论、调查、数据管理、概念构思。冯静怡：调查、数据管理、概念构思。白学彦：调查、数据管理。姜璐：调查、数据管理。王坤杰：调查，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了中国科技基础资源调查项目和（2021FY100404）的财政支持。