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方临川教授团队全球二阶Meta：保护性耕作真能“鱼与熊掌兼得”？

发布时间：2026-4-2　　作者：张万洋编辑：罗铭萍

摘要

保护性农业（CA）是实现可持续集约化的关键，但其核心措施—保护性耕作（CT）在全球不同环境背景下能否协调作物生产力与生态系统服务之间的权衡关系，仍存在争议。为此，本研究综合了69项已发表的Meta分析研究开展了二阶Meta分析，以提供CT对粮食生产与生态系统服务功能的全球统一评估框架。全球范围内，CT能够显著增强关键的农业生态系统服务，包括温室气体减排、土壤碳固存、土壤肥力提升和侵蚀控制，同时保持作物产量稳定，这为长期以来关于CT综合效益的争议提供了确凿证据。然而，CT也可能导致作物产量与生态系统服务（尤其是作物产量与温室气体减排）之间的部分权衡，且这些权衡关系高度依赖于气候、土壤及管理措施的影响。例如，在半干/干旱区域的碱性土壤中，结合秸秆还田和多样化轮作的保护性耕作能够有效地减少这种权衡取舍，并增强协同效应。总之，我们的综合研究表明，因地制宜地优化保护性耕作实践，对于协调农业生产力与生态系统服务、进而推动全球气候适应型农业系统的发展至关重要。

主要研究结果

1、保护性耕作在维持作物产量稳定的同时增强多种生态系统服务功能

大多CT措施对生态系统服务呈现出正向效应（53%），仅有16%和30%的案例分别表现为负面效应或无显著效应。在各类生态系统服务中，土壤固碳（97%）和肥力（60%）的效益最为显著。相比之下，作物产量和气候减缓效应的响应则更为多变，其中负面效应（40%）或无显著（44%）的比例较高（图1a）。平均而言，CT使土壤固碳量提高21%，肥力提升11%，侵蚀减少12%，同时通过减少温室气体排放使气候变暖减缓5%（图1b）。

图1 保护性耕作（CT）对生态系统服务的总体影响

2、保护性耕作下作物产量与多种生态系统服务功能间存在权衡

通过绘制来自18项荟萃分析的69个效应量组合，直观展示了CT实施下作物产量与多种生态系统服务之间的关系（包括双赢、双输和权衡关系）。结果显示，CT实践在作物产量与多种生态系统服务之间存在部分权衡：49%的效应量对呈现同步增加（双赢情景），10%呈现同步减少（双输情景），41%呈现生态系统服务增加但产量下降（权衡情景）（图2）。土壤肥力、土壤侵蚀和碳固存与作物产量的协同效应最为显著，分别有85%、75%和75%的效应量对呈现这一关系；而产量与气候减缓之间的权衡效应最大（39%）。

图2 保护性耕作（CT）下作物产量与生态系统服务间的关系

3.气候和土壤条件影响产量与生态系统服务之间的权衡

随着年均温（MAT）和年均降水量（MAP）的增加，作物产量、土壤碳固持量和肥力均呈现下降趋势，而温室气体排放（气候减缓）和土壤侵蚀则增加。这表明，在以低温和少雨为特征的（半）干旱地区域，CT可以最大化提高作物产量与生态系统服务之间的协同效益。随着土壤pH值的升高和质地粗化，CT对作物产量和生态系统服务的正向效应呈现增加趋势。这表明，CT对作物产量和生态系统服务的协同效应在碱性、粗质地的土壤中效果最佳（图3）。

图3 保护性耕作（CT）对生态系统服务功能的影响受气候与土壤对条件调控

4.优化管理措施缓解产量与生态系统服务间的权衡

农业管理措施也是CT所导致的作物产量与生态系统服务之间权衡关系的关键影响因素（图4）。与免耕（NT）相比，少耕（RT）在提高土壤肥力和碳固存的同时，能部分缓解产量限制。但是，与NT相比，RT增加了土壤侵蚀和温室气体排放。此外，我们发现单独实施CT往往与预期目标背道而驰。例如，当CT没有配合补充性的保护性农业措施（秸秆还田或轮作）时，作物产量降低了11%。然而，当CT与秸秆还田或轮作相结合时，CT对作物产量的负面影响被最小化甚至逆转。例如，CT与轮作结合使产量损失降至-2%，而与秸秆还田结合则使产量提高了6%。

图4 保护性耕作（CT）对生态系统服务功能的影响受管理措施调控

5.保护性耕作综合效应的时空限制

CT对作物产量和生态系统服务的影响取决于其实施持续时间。在最初的5年内，CT对产量和生态系统服务几乎都没有影响。在中期阶段（5-20年），土壤有机碳的逐渐积累促进了土壤结构、肥力和微环境的实质性改善。这些效应进而推动了作物产量的同步增加以及关键生态系统服务的放大。然而，在长时间（>20年）后，作物产量显著下降，而CT对关键功能（如土壤碳固存、肥力维持和侵蚀控制）的积极效应趋于停滞或减弱（图5a）。这一发现强调了管理策略必须具备预见性，需根据不同实施阶段的生态演进规律进行阶段性、针对性的适应性调整。此外，CT对土壤碳固存、肥力和侵蚀控制的积极效应在表层土壤中比在底层土壤中更为显著（图5b）。这表明，CT在调控关键土壤生态系统服务的能力受到垂直梯度的空间限制，凸显了其在改善底层土壤功能方面的内在局限性。

图5 保护性耕作对生态系统服务影响的时空限制性

结论

上述研究以“Global potential and trade-offs of conservation tillage for crop productivity and ecosystem services”为题发表于权威期刊Global Change Biology。武汉理工大学资源与环境工程学院博士后张万洋为论文第一作者，方临川教授为通讯作者。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所张文菊研究员、中国农业大学王超群教授、华中农业大学李小坤教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授以及本团队黄敏副教授、邱天逸博士、胡金丽、谭季、石思博和贾竞超博士后等成员参与上述工作。

本研究得到国家自然科学基金（U21A20237和42477326）、中国博士后科学基金（2025M772519）、北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室开放课题（EUAL-2025-08）等项目的资助。

论文题目：Global potential and trade-offs of conservation tillage for crop productivity and ecosystem services

期刊：Global Change Biology

论文下载: DOI:https://doi.org/10.1111/gcb.70825