农田土壤有机碳(SOC)是确保作物生产和粮食安全的土壤肥力的核心，同时通过调节温室气体排放影响气候条件。净有机碳储量取决于通过微生物分解产生的有机碳输入和输出之间的平衡。农业实践通过直接改变有机碳输入和间接改变微生物的环境条件，深刻影响农田SOC(特别是表层土壤)。中国的农业生产以不到世界10%的耕地养活了世界近20%的人口。从1980年到2010年，中国农业大幅度集约化，种植新品种，大量投入化肥和农药，使粮食产量提高了65%。这种强化对有机碳的影响最近引起了科学界和决策者的主要关注，因为有机碳的变化不仅会影响未来的粮食生产，还会影响水和土壤质量，以及温室气体排放。在国家尺度上主导SOC动态的潜在机制或过程仍未被完全理解。然而，了解这些机制或过程对于可持续管理农田以支持不断增加的人口，同时保持其环境功能至关重要。
Methods
本研究是“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”专项的一部分(PNAS|中科院“碳专项”重要成果：中国陆地生态系统碳储量)，调查了代表中国典型种植制度的58个县的4060个地点的SOC和相关作物管理数据。采样地点与1980年第二次全国土壤调查所记录的土壤采样地点相同或非常接近。我们确定了近30年来中国农田碳汇的变化，确定了主要的农学、经济和政策驱动因素及其对未来中国农田碳汇的影响。
Results
1.SOC储量和作物残渣归田
2011年全国58个县的土壤SOC储量(0-20cm)为32.90MgCha-1(表1)。土壤SOC储量在西北和华北地区约为21.0MgCha-1，东北地区约为42.2MgCha-1。中国南部(包括西南、中南和华东)的SOC储量为中等，为30.0-34.1MgCha-1。调查的58个县的面积加权平均SOC储量也表现出县级SOC储量的显著变化，范围从13.2-69.6MgCha-1(表S1)。2011年，通过作物秸秆还田(即植物残体留在原处并犁入土壤，而不是焚烧或清除)的平均残体返还量为0.89MgCha-1(表1)。2011年，华北地区的秸秆还田输入最高，平均为1.38MgCha-1，东北地区最低，仅为0.39MgCha-1(表1)。
2.1980-2011年SOC储量变化
中国农田表层土壤有机碳储量(0-20cm)由1980年的28.56MgCha-1(27.91-29.23MgCha-1)增加到2011年的32.90MgCha-1(32.34-33.47MgCha-1)(图1和表1)。在此期间，有机碳储量的净增加量为4.34MgCha-1(3.44-5.22MgCha-1)(图1)，平均增加了140kgCha-1y-1(111-168kgCha-1y-1)。总体而言，中国农田土壤在这一时期起着重要的碳汇作用。但各主要农区的有机碳储量存在显著差异:农田SOC储量在东部、中南、西南、华北、西北增加了8.33,6.67,5.49,5.14,和2.84MgCha−1,在东北地区农田损失0.41MgCha−1(图1),相当于1980年1%的SOC储量。
3.SOC变化的驱动因素
利用县域土壤有机碳储量变化率、气候、初始土壤性质和管理实践数据进行相关分析(表2)表明，中国农田有机碳储量变化与年平均气温、氮肥投入和作物残茬碳投入呈正相关，与初始有机碳储量呈负相关。偏相关分析和逐步回归分析进一步表明，粘土含量是影响SOC储量变化的另一个重要因素，但排除了其他所有因素的影响(表2)。1980年较低的初始有机碳储量为有机碳固存提供了前提条件，这主要是由于作物残茬投入的增加。
4.土壤碳固存的原因
在过去的几十年里，中国农田有机物输入经历了三个不同的阶段，这些阶段与社会经济的变化密切相关。第一个阶段的特征是在20世纪70年代后期有机物输入较少(图2A)。第二阶段(1980-1999)是由化学施肥导致的根系生物量的稳定增加所决定的(图2B)。第三阶段在1999年后，国家加强了退耕还林政策，并提出了实施的要求。为了促进作物残留返还的实施，中国政府对农民采取了各种经济激励措施和示范项目，导致越来越多的作物残留被返还到土壤中。前两个阶段主要是经济驱动。第一阶段，农家肥产量有限，作物秸秆燃料/饲料利用率低是主要原因。第二阶段是由增加肥料投入所带来的植物生产力和根系生物量的提高所驱动的。第三阶段主要是政策驱动阶段。政策强制执行的地上残余物返还导致了更多的有机碳投入。2000年以来，秸秆碳投入的快速增加对碳固存的效益最大。
5.作物残渣投入对有机碳固存的贡献
通过秸秆还田增加碳投入可以在土壤碳饱和之前提高碳浓度。在58个调查县的4060个试验点中，平均秸秆碳投入在1980年呈最低水平，1990年代初呈上升趋势，而根系碳投入则呈持续上升趋势，但上升速度较慢(图2B)。1980年和2010年，作物根系和秸秆累积碳投入净增量分别为7.96MgCha-1和10.67MgCha-1。
1980-1989年平均作物残茬碳投入的变化以小的净碳投入为特征(图2B)。这一时期，秸秆碳投入极少，稳定在一个较低水平(平均碳投入仅为0.005MgCha-1y-1，而根系碳投入为0.57MgCha-1y-1)。1990-1999年，秸秆和根系碳投入均稳步增加，分别为0.023和0.018MgCha-1y-1。2000年以后，秸秆碳投入迅速增加，为0.077MgCha-1y-1，而根系碳投入稳定在0.016MgCha-1y-1。作物根系和秸秆的输入使土壤有机碳增量分别为1.30和1.74MgCha-1。由于过去30年土壤有机碳净增量为4.34MgCha-1(图1)，其他碳输入(如粪肥)对土壤有机碳增量的贡献可间接估计为1.30MgCha-1。因此，根系、秸秆和其他C投入分别贡献了约30%、40%和30%的SOC蓄积量增量。
6.氮肥对有机碳固存的影响
在过去30年里，化肥投入的增加，特别是低成本氮肥的投入，提高了作物生物量产量，对SOC的固存做出了重大贡献。但施氮量对有机碳积累的负效应开始显现。在约290kgNh-1y-1以下，中国农田土壤有机碳的固定速率随着累积氮肥投入的增加而持续增加，但之后下降。中国西北、华北和西南地区累积施氮量与土壤有机碳固定速率呈正相关，而中国东部地区累积施氮量与土壤有机碳变化速率呈负相关。中国的化学氮输入异常高。过量的化学氮输入可能会刺激纤维素占优势的作物残基的分解，从而限制土壤中有机碳的固定，通过有利于细菌而不是真菌而降低C的保留效率，甚至通过刺激土壤酸化限制根系生长。它们还导致环境问题，如温室气体(特别是N2O)排放和严重的水污染。化肥是中国农业集约化的关键。对高产和依赖化肥的粮食产量的追求使中国农民相信，化肥越多，作物产量越高。因此，作为农业集约化和增加固碳的重要组成部分，我国需要制定合理利用氮肥的新策略。
Conclusion
综上所述，本研究结果表明:全国表层土壤(0-20cm)平均有机碳储量从1980年的28.6MgCha-1增加到2011年的32.9MgCha-1，平均每年净增加140kgCha-1;但各主要农区土壤有机碳的变化存在差异，除东北地区外，各主要农区土壤有机碳均呈上升趋势。有机碳固存主要是由于经济和政策驱动的有机物输入的增加:2000年以前，化肥提高作物生产力导致的较高根系生物量占主导地位，2000年以后，大规模实施作物秸秆还田政策之后，较高的秸秆残渣输入取而代之。中国东部土壤有机碳的变化与N输入呈负相关，表明过量的N输入加上耕层的浅度可能会限制中国农田未来的碳固存。因此，通过有效调控对农民的经济和政策激励，可以实现农田SOC的固存。这些发现为中国经济和政策驱动的土壤碳固存的原因和局限性提供了新的见解，并为许多正在经历类似经济和社会转型的发展中国家的土壤碳管理提供了一些指导。
