【文献分享：国土空间规划与治理（四）】人为干预提高了中国农田净生态系统生产力

在研究视角方面，以往研究多关注人为干预对土壤碳储存的影响，而该研究聚焦于人为干预对农田净生态系统生产力（NEP）的影响，这一视角有助于深入理解农田生态系统中的碳平衡机制。并且文章综合运用多种长期、大规模数据和统计数据，包括多个NEP数据集、土地利用/土地覆盖变化数据集、气候数据集和社会经济数据等。通过多种分析方法，如路径分析、敏感性分析、皮尔逊相关分析和多元回归分析等，全面且深入地探究人为干预与农田NEP之间的关系，在中国这样面临粮食安全和碳排放双重压力的国家，研究结果将有助于制定可持续的农业政策，同时可以明确人为干预对农田NEP的积极和消极影响，能够为提高农田碳汇能力、平衡粮食生产和生态保护提供科学依据。此外，该研究也填补了人为干预对农田NEP影响研究的部分空白，为全球范围内的农田生态系统碳循环研究提供了新的思路和方法，对相关领域的进一步研究具有重要的参考价值。

陆地生态系统是重要的碳汇，农田生态系统受人类活动影响大且在碳循环中有重要意义。在中国，作为发展中国家与温室气体排放大国，面临粮食安全与碳减排压力，且中国不同粮食产区的农田面积、产量、经济发展和自然条件差异大，人为干预强度不同。然而，尽管各种人为干预对土壤碳储存的影响已被研究，但对生态系统碳动态的影响却很少被探究。目前中国农田净生态系统生产力（NEP）的时空变化仍不确定，人为干预对其影响也知之甚少，这限制了对农田生态系统碳平衡的理解，也没有系统机制解释其对人为干预的响应。所以该研究旨在探索人为干预与中国农田NEP的关系并描绘碳循环过程，为增强农田碳汇能力、平衡粮食生产与生态保护提供科学依据。

文章通过分析中国NEP数据、土地利用/覆盖变化数据集和人为干预数据，构建了四个农田NEP数据集，结合一元线性回归、标准差等对其进行空间特征分析，并通过路径分析、敏感性分析等进行统计分析，检测其时空变化并分析影响因素，重点评估粮食主产区（MGPA）人为干预对碳封存机制。结果表明，人为干预对中国农田从碳源向碳汇转变有积极贡献，如土地整治（LC）、免耕（NT）和复种水平（MC），但部分不合理干预（如低机械化秸秆还田率和过度灌溉）有抑制作用。文章具体结论如下：

（1）农田NEP的历史变化

在总体变化上，2000-2020年期间，中国33个省级行政区的农田NEP值持续增加，南方地区数值最高（如海南和福建）。使用三组校准数据也得到相似结果。2000-2020年中国农田NEP增加了48.15gCm⁻²year⁻¹，2010年左右碳汇能力达到峰值。区域差异上，南方地区如广西2000-2020年增加了80.29gCm⁻²year⁻¹，这是因为南方土地利用类型多样，非粮作物常见，生物质碳储量增加，光热条件好，可一年多熟，作物轮作可增加产量、减少温室气体排放；北方地区的主要产量省份也得到显著增加，从2000年的-80.32gCm⁻²year⁻¹到2020年的-21.82gCm⁻²year⁻¹，原因是北方小麦和玉米产量增加，其根系大且深，碳汇能力强，21世纪初东亚夏季风北移使北方降水增加，北方农田NEP与降水强相关。中国农田NEP重心向西北移动（图1），表明东南部农田碳汇能力增速低于北方。在增长速率变化方面，研究期前11年农田NEP增长率较快，后10年减弱。21世纪前十年农田NEP的显著增长与北半球气候变暖中断有关。以2010年为界，中国农田从碳源区转变为碳汇区，75.54%的农田碳汇能力呈上升趋势，北方地区碳汇面积显著增加。在稳定性上，18.15%的中国农田处于低稳定性范围，主要在华北平原和四川部分地区（图2）。低稳定性区域的农田NEP增长大于全国整体增长，这些区域的粮食产量和播种面积变化以及农田管理措施增加了碳汇能力但降低了稳定性。

图1 2000-2020年中国农田NEP空间分布

图2 2000-2020年中国农田NEP空间特征

（2）农田NEP的变化归因于人为干预

在粮食主产区，农田NEP的年际变化与主要人为干预活动正相关（图3）。在东北地区，小麦和蔬菜种植比例与农田NEP负相关，农田NEP总值的增加主要归因于人为干预，特别是土地整治和复种水平。农田NEP对复种水平变化高度敏感，免耕的敏感性系数绝对值较高，蔬菜种植比例（VP）敏感性最小（图4）。2000-2009年敏感性系数逐年下降，2010-2020年呈右倾“V”形。总体上，LC对农田NEP响应最强。路径分析发现，机械秸秆还田（MSR）通过单位面积农药量（PA）间接增强农田NEP；LC通过NT和灌溉间接影响农田NEP；影响农田NEP的主导因素从2000年的小麦种植比例（WP）和MC变为2020年的LC和MSR；LC和NT在整个研究期作用显著。回归分析发现，五大人为干预对农田NEP有正向影响，但可能存在非线性关系或测量误差等。使用工具变量和引入二次项后（图5），发现LC与农田NEP呈倒U形关系，NT和MSR与农田NEP呈U形关系。多数地区位于LC拐点左侧、NT和MSR拐点右侧，表明农田管理措施有利于碳汇。不同区域差异上，MGPA农田NEP的显著增加与LC、NT和MC密切相关；粮食主销区（MGSA）土地整治和经济作物种植相结合确保碳汇稳定性；产销平衡区（PSBA）增加与单位面积灌溉程度（ID）和MC有关。灌溉对MGPA和MGSA有负面影响，对PSBA有正面影响，不同区域的灌溉程度导致土壤水分和厌氧条件差异，影响碳汇。

图3 2000-2020年中国耕地NEP与主要人为干预的相关性

图4 2000-2020年农田NEP对各种人为干预的响应

图5 基于工具变量的主要人为干预对农田NEP的回归分析

（3）MGPA的碳循环影响

为了进一步揭示主要人为干预活动与农田NEP之间的关系，文章在MGPA中进行了相关研究。研究发现，NT和MSR等保护性耕作对水土保持、减少温室气体排放和碳汇有重要作用。NT可减少土壤扰动、增加土壤碳储存；秸秆可增加碳输入。NT+MSR对农田NEP仍有负面影响，大规模秸秆还田多年后，土壤有机碳含量增加减缓并趋于饱和，进一步增加MSR会阻碍土壤碳汇。MSR与农药使用量相互作用影响农田NEP，合理的MSR有利于碳汇和作物产量。对于其他人为干预活动的影响，通过土地平整等增加可耕地面积、提高作物产量，对MGPA的碳汇有积极影响；施肥可以促进作物根系生长和产量增加，提高土壤有机碳含量；灌溉对农田碳汇有轻微负面影响，MGPA主要采用的漫灌使土壤易板结，不利于地下生物量积累，应向滴灌转变。以国家野外科学观测研究站样地为例，品种替换提高了农业产出，与农田NEP正相关；MSR因病虫害和土壤酸化等对碳汇有负面影响（图6）；施肥和农药使用对农田碳汇有积极影响，不同灌溉方式转换对碳汇有不同影响。

图6 农田固碳影响机制与过程（2020年MGPA）

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责编：于   蕊

文字：段凯军

排版：单煜函

校对：朱   易