AGEE | 粮食作物和非粮食作物对土壤有机碳的相反影响：来自中国主要粮食产区的证据

来源：农业系统与粮食安全（2024年11月11日）

粮食作物和非粮食作物对土壤有机碳的相反影响：来自中国主要粮食产区的证据

Liu, S., Wang, L., Zhang, J., Ding, S., 2025. Opposite effect on soil organic carbon between grain and non-grain crops: Evidence from Main Grain Land, China. Agriculture, Ecosystems & Environment 379, 109364. https:///10.1016/j.agee.2024.109364

摘要 | Abstract

农田的土壤有机碳（SOC）含量影响全球粮食生产，对减少农业碳排放至关重要。主要粮食土地（MGL）在长期使用变化中对SOC的响应可能不同于非MGL农田。我们构建了一个定量指标系统来揭示MGL种植模式与SOC之间的关系。基于现有的MGL分布数据和Landsat图像，我们生产了中国1985年至2020年的MGL数据集，并结合两套SOC数据分析了不同MGL类型下的SOC异质性。时间序列变化检测揭示了种植模式与SOC之间的互动。不同的MGL类型在SOC方面表现出显著的异质性。SOC在单一水稻种植区最高（31.62 g/kg），是小麦和玉米种植区的两倍。随着种植强度增加，SOC在MGL和非MGL农田中表现出相反的趋势。SOC含量影响农民在农田和MGL扩张的决策。SOC较高的地区更早被开发为MGL。MGL消耗更多SOC，且对休耕的需求比非MGL更为迫切。MGL种植强度超过拐点阈值（约15年）会降低浅层SOC（0-15 cm），超过30年后SOC含量会下降到初始值以下。目前，中国62.08%的MGL导致SOC减少，迫切需要休耕的MGL面积为27.38 Mha。研究为优化作物种植模式、保障粮食安全和减少农业碳排放提供了理论指导。

亮点 | Highlights

·不同的主要粮食土地（MGL）在土壤有机碳（SOC）方面表现出显著的异质性。

·含有较高SOC的区域会更早被农民开发为MGL。

·MGL比非MGL消耗更多的SOC。

·MGL种植与浅层SOC之间存在阈值效应。

·Different MGL exhibit significant heterogeneity in SOC.

·Areas with higher SOC are developed into MGL by farmers earlier.

·The MGL consumes more SOC than non-MGL.

·There is a threshold effect between MGL planting and shallow SOC.

图1：研究框架。

Fig. 1: Study framework.

图2：主要粮食土地（MGL）变化分析。

Fig. 2: MGL Change Analysis.

图3：不同MGL中的土壤有机碳（SOC）异质性。

Fig. 3: Heterogeneity of SOC in different MGL.

图4：不同农田扩张与SOC之间的互动。

Fig. 4: Interaction between different cropland gains and SOC.

图5：1980年代农田扩张与土壤有机质（SOM）之间的互动。

Fig. 5: Interaction between cropland gain and SOM in the 1980s.

图6：作物种植强度对SOC的影响。

Fig. 6: The Impact of crop planting intensity on SOC.

图7：不同农田损失对SOC的影响。

Fig. 7: Impact of different cropland loss on SOC.

图8：中国主要粮食土地（MGL）的连续耕种时间。

Fig. 8: Continuous cultivation time of MGL in China.

总结 | Conclusions

本研究探讨了作物种植模式及其变化与土壤有机碳（SOC）之间的复杂关系，并得出了三项主要结论。首先，不同管理强度水平（MGL）区域的SOC含量差异显著。单一水稻种植区的SOC含量最高，为63.23 g/kg，几乎是小麦和玉米种植区（31.61 g/kg）的两倍。此外，MGL农田比非MGL农田消耗更多SOC。其次，随着种植强度的增加，非MGL农田的SOC呈上升趋势，年均增长为0.0664 g/kg。相反，MGL农田的SOC显示下降趋势，年均减少为-0.0561 g/kg。MGL种植超过约15年的拐点阈值会显著减少浅层SOC（0-15 cm），超过30年后，SOC水平可能低于初始阈值。第三，SOC含量直接影响农民的农田扩张和土地生产力决策。SOC含量较高的地区更早发展为MGL区域。此外，MGL农田对休耕的需求更为迫切。目前，中国62.08%的MGL区域的SOC含量正在下降，其中31.72%的总面积急需休耕，相当于27.38百万公顷。

Agriculture, Ecosystems & Environment

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引用：Liu, S., Wang, L., Zhang, J., Ding, S., 2025. Opposite effect on soil organic carbon between grain and non-grain crops: Evidence from Main Grain Land, China. Agriculture, Ecosystems & Environment 379, 109364. https:///10.1016/j.agee.2024.109364

通讯作者

Li Wang, Jie Zhang | Key Laboratory of Remote Sensing and Digital Earth, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China; Department of Earth System Science, Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Institute for Global Change Studies, Tsinghua University, Beijing 100084, China

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