西农李志团队在保护性农业对黑土区作物产量和生态系统服务影响方面取得进展

01 研究意义

黑土区是全球重要粮食产区，但长期高强度农业利用和不合理耕作等加速了黑土退化，导致土壤有机碳下降、养分亏缺、酸化加剧和微生物功能衰退，威胁粮食安全与农业生态系统可持续性。本研究聚焦保护性农业体系中不同实施程度的代表性措施——免耕（NT）、免耕配合秸秆还田（NT+SR）以及免耕、秸秆还田与作物轮作协同实施（NT+SR+CR），旨在回答生产与生态管理中存在的一个关键问题：保护性农业措施的“部分采用”与“完整采用”，在增产、培肥、保水、固碳和微生物功能提升方面是否存在差异？哪种路径更能实现作物产量与多项生态系统服务功能的协同提升？厘清这一问题，将为全球黑土区保护性农业优化推广和“稳产增效、保育土壤、生态可持续”的农田管理提供科学依据。

02 主要结果

研究数据覆盖中国东北平原、北美大平原、东欧平原、南美潘帕斯草原及其他黑土分布区，包括165篇研究和2984组比较数据。

图1 保护性农业措施研究区域的空间分布

与常规耕作相比，保护性农业显著提升了11项农业生态系统服务功能中的9项。其中，作物产量平均提高约2%，土壤养分保持提高约5%，土壤结构改善约6%，土壤碳固存提高约11%，持水能力提高约5%，病虫害控制能力提高约39%。在支撑服务方面，土壤微生物丰度和微生物生态功能分别提高约10%和14%。因此，保护性农业在黑土区并非仅改善单一土壤过程，而是能够在作物生产、土壤调节功能和微生物支撑功能之间形成较为广泛的协同效应。

图2保护性农业对黑土区作物产量及农业生态系统服务功能的影响

保护性农业措施的组合效益存在明显差异。免耕（NT）对作物产量、土壤水文调节、持水能力、pH和气候调节的影响并不显著，并降低土壤养分保持能力2%。当免耕与秸秆还田结合后（NT+SR），整体向正面效应转换，作物产量提高约1%，土壤养分保持提高约6%，土壤水文调节能力提高约47%。而完整采用保护性农业三项核心原则的NT+SR+CR表现最佳，可使作物产量提高约6%，土壤水文调节能力提高约125%，持水能力提高约8%。

图3 不同保护性农业组合对农业生态系统服务的影响

从实施年限看，保护性农业的效益具有明显的时间累积特征。短期试验（<3年）中，三类保护性农业措施对多数生态系统服务功能的提升并不显著，单独免耕甚至使作物产量下降约16%。中期试验（3–9年）中，NT+SR+CR的正效应开始显现，作物产量提高约7%，土壤养分保持、土壤碳固存和持水能力也显著提升。长期试验（>9年）中，NT+SR+CR表现出最强的综合效益，作物产量增幅可达约12%，并在土壤养分保持、土壤结构和碳固存方面形成更稳定的改善效果。

从氮肥管理看，保护性农业的效应受到氮肥投入水平显著影响。在低氮投入条件下（NAR < 100 kg/ha），三类措施均未显著提高作物产量，但NT+SR和NT+SR+CR仍能改善土壤养分保持、碳固存和微生物丰度。在中等氮肥投入条件下（100–200 kg/ha），保护性农业的综合效益更为突出，尤其是NT+SR+CR能够实现作物产量提高约6%，并同步改善多项生态系统服务功能。相反，在高氮投入条件下，许多生态效益减弱甚至转为负效应，提示保护性农业的推广需要与合理施氮协同优化。

图4 不同实施年限和氮肥投入水平下保护性农业对多项生态系统服务的影响

产量与生态系统服务之间的权衡/协同分析进一步表明，完整采用保护性农业原则能够显著提高“增产—增效”的双赢概率。在单独免耕条件下，“双赢”情景占30%，“双输”情景占19%，权衡情景占比高达50%。在NT+SR条件下，“双赢”比例提升至33%。而在NT+SR+CR条件下，“双赢”比例进一步提高至43%，“双输”比例降低至14%，表明免耕、秸秆还田和作物轮作的协同实施更有利于缓解产量与生态服务之间的权衡关系。

图5不同保护性农业组合下作物产量与土壤生态系统服务的权衡/协同关系

整体而言，保护性农业能够在黑土区实现作物生产与多项生态系统服务功能的协同提升，但其效益大小取决于保护性农业措施的集成程度、实施年限和氮肥管理水平。完整采用NT+SR+CR更有利于提高系统稳定性和韧性，是推动黑土区农业可持续发展的重要管理路径。

相关成果发表于农林科学领域权威期刊《Agriculture, Ecosystems & Environment》。宋颖为论文的第一作者，付金霞副教授、李志教授为通讯作者。研究获得国家重点研发计划（2022YFD1500102）的资助。

Ying Song, Zhijie Li, Jiahui Ha, Xiaoling He, Jinxia Fu*, Fenli Zheng, Zhi Li*. 2026. Integrated implementation of conservation agriculture enhances crop yield and sustains multiple ecosystem services in the black soil regions. Agriculture, Ecosystems & Environment, 411, 110614.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2026.110614