稳定的粮食供应在当前极端气候事件日益频繁、农业生产不断受到冲击的背景下，成为当今社会面临的一个主要挑战。农业系统的频繁波动不仅会潜在地降低作物的平均产量，对于农民生计、粮食市场甚至地区政治等方面都会造成不利影响。健康的土壤不仅可以提高作物产量，还可以增强作物对气候变化的抵御能力。作为衡量土壤肥力的代表性指标，尽管土壤有机碳（SOC）被公认为具有广泛的稳定作物生产的作用，但其发挥稳产作用的下限及其富集在多大程度上增强作物生产力的长期稳定性仍缺乏具体的量化。本研究旨在填补这一空白，为中国农田的精准碳管理提供科学依据。
近日，浙江大学环境与资源学院史舟教授课题组基于收集的中国农田多源大范围遥感产品数据集，计算了近20年玉米和小麦农田生产力的长期稳定性，并采用多种非参数模型量化了SOC本底含量与作物生产力稳定性之间的非线性关系。进一步结合机器学习因果模型，估计了单位SOC的提升对稳定作物生产力的边际效益，同时分析了该效益的空间异质性特征，来共同回答SOC如何作用于作物生产力长期稳定性的提升。
1.非线性关系与临界阈值浓度的确定
广义加性混合模型和XGBoost模型结合SHAP分析的量化结果都揭示了一致的SOC含量与作物生产力长期稳定性的非线性关系。根据非线性关系曲线，研究识别出维持作物长期稳定性的SOC临界基线，玉米为10.5- 13.1 g kg-1，小麦为8.4 - 9.9 g kg-1。进一步的分析表明，当农田SOC本底含量高于该临界浓度时，气温对作物生产力及其稳定性的影响显著降低。保持农田SOC在临界基线以上，可以更好地保证作物生产力的长期稳定性。
图1 土壤有机碳本底含量与玉米和小麦生产力长期稳定性的关系
图2 土壤有机碳含量低于与高于临界阈值区域中作物生产力及其稳定性对气温变化敏感性的对比
2.土壤有机碳含量增加带来的作物生产力稳定性的边际增益
因此，SOC低于临界阈值浓度的农田需要采取措施增加SOC含量，以维持作物的长期稳定。研究进一步采用了因果森林-双机器学习模型来估计SOC每增加1 g kg-1可以得到的稳定性边际增益。该增益随SOC本底含量增加而逐渐下降并趋于零，同时还受土壤气候背景因素的影响，在土壤气候因素限制性更大的区域，增加SOC带来的稳定性边际收益更大。全国约20%的农田SOC低于临界阈值浓度且具有显著的SOC稳定性边际收益，在这些“高效收益区”，增加单位SOC作物稳定性可以提升6.2%–11.1%，远超全国平均的1.1%–2.0%。
图3 增加单位土壤有机碳含量对玉米和小麦生产力稳定性提升的因果效应估计
3.为实现稳定性目标需采取的区域碳汇策略
为了更好的指导精准农田碳管理，研究将逐像元的稳定性边际收益转化为市级尺度实际产量的韧性红利。在地级市尺度，SOC每增加1 g kg-1在产量冲击年可保障平均1.3万吨产量；全国范围内可避免约260万吨玉米和170万吨小麦的产量损失。高效增益城市的单位SOC增汇的韧性红利为全国平均的3–4倍，这些地区主要位于中国北部和西北地区产量稳定性较低但作物种植面积较大的城市。
图4 市级尺度量化单位土壤有机碳含量提升可避免的作物产量损失
综上所述，研究量化并分析了SOC对提高作物生产力长期稳定性的具体作用模式，并提出了高SOC稳定性边际效益所需的土壤和气候环境背景条件，为中国农田进行有针对性的土壤碳管理以保障国家稳定的粮食供应需求提供科学的指导方案。
研究以“EnrichedSoil Organic Carbon Underpins Long-Term Stable Crop Productivity Across China'sCroplands”为题，于2026年10月22日在线发表于AdvancedScience。浙江大学环境与资源学院黄钰洋博士为第一作者，浙江大学环境与资源学院史舟教授、罗忠奎长聘副教授、叶粟研究员、马庆旭研究员、上官宇霖博士、杜媛媛博士、魏敏硕士为共同作者，浙江大学环境与资源学院陈颂超研究员为通讯作者。此项研究还联合了巴黎萨克雷大学、香港大学、南方科技大学等多家单位的学者共同参与。
文章信息：
标题：EnrichedSoil Organic Carbon Underpins Long-Term Stable Crop Productivity Across China'sCroplands
期刊：AdvancedScience
DOI：https://doi.org/10.1002/advs.78421