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编译：姚伟、屈馨月
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文章信息
原名：Soil quality both increases crop production and improves resilience to climate change
译名：土壤质量既提高了作物产量又提高了对气候变化的适应能力
期刊：Nature Climate Change
2022年影响因子：25.29
5年影响因子：28.803
在线发表时间：2022.06.09
通讯作者：范明生 教授 fanms@cau.edu.cn
第一单位：中国农业大学资源与环境学院
研究思路
文章摘要
尽管未来气候变化在区域和田块尺度上对作物产量的影响仍存在不确定性，但是很多研究表明未来气候变暖会导致全球粮食作物大幅减产，特别是在热带和亚热带地区。
土壤与气候共同决定着全球农业用地的主要格局。土壤质量改善越来越被认为是提高作物产量的基本机制，而持续的土壤退化会使粮食不安全问题变得更加严重。到2050年，预计粮食需求将增加60-100%，这一增长依赖技术和农艺改进，但全球粮食生产却面临着生物物理压力的挑战。气候变化对作物产量有重大影响，而土壤质量的提高是增加产量的关键。然而，土壤和气候变化的相互作用如何影响农田在区域到国家范围内生产充足粮食供应的能力知之甚少。
本研究主要关注气候和土壤质量对作物产量及其变异性的相互作用。通过收集12115个地点-年份的土壤和相关产量观测数据，结合多个气候变量，覆盖了我国主要粮食产区的90%。基于机器学习算法以量化在当前和未来气候条件下，探明提高土壤质量对作物产量及其变异性的潜在益处。
本研究中涉及到的主要作物系统根据种植类型和分布区域分别为：（1）华北平原冬小麦（W-NCP）；（2）长江流域冬小麦（W-YZB）；（3）西北地区灌溉冬小麦（W-NWC）；（4）东北地区雨养玉米（M-NEC）；（5）华北平原夏玉米（M-NCP）；（6）西南地区雨养玉米（M-SWC）；（7）长江流域单季稻（SR-YZB）；（8）南方早稻（ER-SC）；（9）南方晚稻（LR-SC）。其中，冬小麦和水稻系统均为灌溉作物系统，而在玉米系统中，华北平原为灌溉玉米系统，西南地区为雨养玉米系统，而东北地区同时包括灌溉和雨养玉米系统。
本研究利用梯度提升回归树模型（Gradient Boosted Regression Tree, GBRT）评估不同土壤、气候和管理因素对产量变异的相对重要性。在此过程中，随机挑选数据库中90%的数据作为构建模型的训练集，剩余 10%的数据作为验证模型预测效果的测试集。
1.产量变异与生物物理因素
尽管在主要种植制度下，与农民的实际做法相比，BMPs平均可持续地提高了10.6%的产量，但在主要种植制度之间以及在主要种植制度内部，YieldBMPs也是异质性的。在大部分的作物系统中，气候和土壤因素对产量的重要性均排在所有变量的前4-7位，说明气候和土壤因素是影响YieldBMPs变异的主要因素。但是在长江流域小麦（W-YZB）和单季稻（SR-YZB），以及东北玉米（M-NEC）系统中，N肥用量是影响产量变异的最重要因素，说明在这些作物系统中，N肥管理水平有进一步的提升的空间。
2.土壤质量对气候变异的缓冲效应
为了评估高质量土壤对气候变量的缓冲效应，进一步建立了一个数据子集，由使用相同BMPs和在相同气候条件下耕作的本地高质量和低质量土壤对组成。低质量土壤的产量s.d.与高质量土壤相似或显著高于高质量土壤。因此，所有种植系统的CV在高质量土壤中始终较低，尽管在水稻系统中发现了非常小的差异。说明高质量土壤的产量稳定性较高。平均而言，高质量土壤降低了作物对气候的敏感性，与低质量土壤相比，高质量土壤小麦、玉米和水稻种植系统的相对产量稳定性提高了8.8-51.0%、8.8-22.0%和2.2-12.9%。
3.气候变化与土壤质量对产量的相互作用
在未来的气候条件下(2040-2059和2080-2099年)，基于GBRT模型，根据代表性浓度途径RCP2.6（气候变化研究的低排放情景）和RCP8.5（气候变化研究的高排放情景），推导产量对气候变化的响应。不同的地区和作物，气候变化对中国产量的影响是不同的，在不同的种植制度、RCP和时期，气候变化对产量的影响从减少6.9%到增加8.6%不等。2080-2099年气候剧烈变化RCP8.5下，对产量的负面影响更为突出。
4.气候-土壤相互作用引起的生产波动
在RCP2.6下，气候驱动的产量波动作为小麦、玉米和水稻总产量的总和都很小。然而，到2080-2099年，气候驱动的产量变化可能导致全国谷物产量在代表性浓度途径RCP8.5下每年减少11.4公吨。在土壤退化和改良情景下，气候-土壤相互作用分别占气候驱动生产损失的14%和21%。
l高质量的土壤会带来增产，也会减少作物生产对气候变化的敏感性，实现稳产，同时可以增强作物对未来气候变化的适应能力。
l如果气候变化对产量产生负面影响，那么高质量土壤相比低质量土壤更能缓冲这一负面效应，相反，会进一步强化正面效应。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41558-022-01376-8
