近日，《自然》杂志旗下期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队田静副教授研究论文《保护性农业在长期增温背景下提升土壤健康和维持作物产量》（Conservation agriculture improves soil health and sustains crop yields after long-term warming）。该研究基于华北平原长达十余年的长期增温田间试验平台，揭示了长期变暖和农业管理交互作用对土壤健康和作物产量的影响以及微生物驱动机制，为土壤健康保育支撑产能提升提供理论支撑与长期经验证据。该研究是继田静副教授在Nature Communications上发表和认识 （Microbially mediated mechanisms underlie soil carbon accrual by conservation agriculture under decade-long warming）基础上，进一步强调了全球变暖下保护性农业可作为适应气候变化的改善土壤健康和维持生产力的自然解决方案。
气候变暖和全球人口持续增长严重威胁着粮食安全，促使农业系统采用同时提高生产力和适应气候变化的可持续土地管理措施。保护性农业已被广泛提议作为维持粮食生产、同时促进土壤健康的可持续策略。目前全球12.5%的土地已采用保护性农业。然而，保护性农业可能存在造成作物产量损失的风险。在全球尺度上，保护性农业的作物产量估计比传统农业低2.5%。另外，气候变暖可能导致干旱、扰乱作物生长周期、增加植物病害，最终导致作物产量减少。因此，关于保护性农业生产力对长期气候变暖响应方面的研究显得尤为重要且亟待探索，但目前相关研究极为缺乏。
土壤健康是作物产量维持及提升的基础，同时也能增强作物系统对气候变化的韧性。保护性农业对土壤健康的提升已经被广泛报道。但是气候变暖下可能加速微生物分解和氮素矿化，引起土壤有机碳和氮素流失，危害土壤健康。此外，土壤微生物组是可持续农业的主要贡献者，影响土壤健康和作物产量。保护性农业通常促进土壤微生物的多样性、活性和有益功能菌群，但变暖可能会产生相反的效果。由于气候变暖和土壤管理对土壤属性的复杂相互作用，很难预测气候变暖背景下保护性农业土壤健康变化的长期变化，以及进一步引起的作物生产力改变。
本研究依托包含两种管理措施（保护性农业与传统农业）和两种不同增温水平（增温与自然温度）的长期定位试验，发现增温提高了保护性农业系统的小麦产量，且随着时间的推移，增产效益不断增加（图1）。利用康奈尔土壤健康评估方法（Cornell Soil Health Assessment）评估了增温和管理措施对17项土壤健康指标的影响，发现增温导致的核心土壤健康指标——土壤有机碳和微生物生物量碳的提升随时间呈线性增加，并导致了增温后保护性农业土壤健康的提升（图2）。通过进一步的驱动因子分析发现，增温引起的土壤健康提升和真菌分解者多样性的变化共同提升了作物产量。最终，在长期增温后，与传统农业相比，保护性农业使土壤健康提高了21%，同时维持相当的产量。这项研究为保护性农业在长期可持续粮食生产中的潜在效益提供了实证依据。长期增温背景下，保护性农业改善了土壤健康，包括增强土壤的渗透性和保水性、碳和养分循环以及微生物活动，提升了作物产量（图3）。
图1 增温和管理措施对作物产量的影响
图2 增温和管理措施对土壤健康的影响
图3气候变暖对保护性农业土壤健康、微生物多样性和作物产量影响的模式图
中国农业大学资环学院博士后滕嘉玲为论文第一作者，中国科学院地理科学与自然资源研究所侯瑞星副研究员为论文的共同第一作者。中国农业大学田静副教授、崔振岭教授和西班牙塞维利亚自然资源和农业生物学研究所Manuel Delgado-Baquerizo教授为共同通讯作者。张福锁院士全程参与并指导了该研究工作的具体设计。英国埃克塞特大学Jennifer A. J. Dungait教授，西班牙塞维利亚自然资源和农业生物学研究所研究员周贵尧，德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授和中国农业大学张敬波教授参与指导了具体工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（U23A20158、32071629）、国家重点研发计划（2023YFD1901500）、中国农业大学2115人才发展计划和中国博士后科学基金（2022M71339）资助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53169-6
