元分析揭示了秸秆还田对作物产量、土壤质量和温室气体排放的综合影响

陈阳帆|白玉萍|张帆|方文

中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京，100083，中国

摘要

中国农业持续面临三个相互关联的挑战：确保粮食安全、逆转土壤退化以及减少温室气体排放。秸秆还田（SR）是一种核心的保护措施，对作物产量、土壤肥力和温室气体平衡具有显著影响。本研究基于2000年至2025年间发表的400多项同行评审文献进行了元分析，评估了SR在四种关键管理措施下的综合效应：氮肥施用量、秸秆还田量、还田方法和还田持续时间。结果表明，SR显著提高了水稻、玉米和小麦的产量。在中等至高氮肥施用条件下，水稻和玉米的产量提升最为明显。SR显著增加了土壤有机碳（SOC）含量，并且这种效应随时间累积。在中等秸秆还田量下，水稻田的SOC增加了10.6%，玉米田增加了11.2%，小麦田增加了14.7%。在温室气体排放方面，SR对N₂O和CH₄的影响具有明显的作物特异性。在低氮肥施用条件下，玉米和小麦的N₂O排放分别增加了17.4%和18.9%；而在高氮肥施用条件下，水稻的N₂O排放减少了21.39%，玉米的N₂O排放减少了65.14%。本研究确定了调节SR效果的关键因素，并为优化农业实践提供了科学指导，以实现作物产量、土壤健康和气候智能缓解的双重目标。

引言

保障粮食安全是中国农业发展的核心战略重点，也是维护社会稳定和可持续经济增长的重要基础（Lee等人，2024；Cole等人，2018）。作为粮食生产的物质基础，土壤质量直接决定了农田的生产力水平（Qiao等人，2022；Bünemann等人，2018）。土壤有机碳（SOC）是土壤有机质的主要组成部分，也是土壤质量的关键指标。它不仅在养分循环、结构改善和微生物活动调节等关键土壤过程中发挥作用，还在增强作物抗逆性和确保稳定产量方面发挥着不可替代的作用（Song等人，2025b；Zhou等人，2025）。在全球气候变化加剧的背景下，中国设定了到2030年实现碳达峰、到2060年实现碳中和的战略目标。作为陆地生态系统中最大的活性碳库，农业土壤在碳封存方面具有巨大潜力，其利用成为实现这些双重碳目标的关键手段（Xin等人，2024；Xia等人，2023）。突破传统农业生产模式的限制，探索能够同时提高作物产量、培育土壤肥力和减少农田生态系统排放的绿色农业技术，已成为农业生态学中的关键科学挑战（Wang等人，2025；Yang等人，2024）。

秸秆还田（SR）是实现农业废弃物可持续利用的基本措施之一。它对作物生产系统和农业生态功能具有多方面和情境性的影响，长期以来一直受到学术界的关注（Li等人，2018；Chen等人，2022）。现有文献表明，SR可以增加SOC的封存量，提高土壤结构稳定性，改善土壤保水能力和植物可利用养分的供应（Song等人，2025a）。长期进行SR可以促进土壤团聚体的形成，增强土壤的通气性和渗透性（Chen等人，2024）。秸秆中的碳可以通过微生物分解转化为SOC，从而实现土壤碳储存并减缓全球变暖（Hu等人，2024）。适当的SR通常可以提高作物产量和稳定性。冬季小麦和玉米在采用SR管理后产量更高，并且对非生物胁迫的生理抵抗力更强（Li等人，2024）。表面秸秆覆盖还可以减少雨水径流，降低土壤侵蚀风险（Chen等人，2023）。然而，SR的生态效应因具体情况而异，并非总是有益的。一些研究表明，在弱酸性土壤中，SR可能会加速土壤酸化，影响作物生长和土壤微生物活动（Guo等人，2025）。在SR初期，秸秆可能会与作物竞争氮素，导致幼苗黄化和生长弱化（Zhang等人，2021）。此外，机械化秸秆还田可能会增加化石燃料的燃烧和间接温室气体排放（Zhao等人，2025）。

氮肥施用量、秸秆还田量、还田方法和还田持续时间被认为是调节SR生态效应的关键管理措施。不同措施之间的效应差异已成为农学研究的核心主题（Jia等人，2025）。实证研究表明，优化氮肥施用可以加速秸秆分解，增加SOC储量、作物产量和净温室气体减排。过量施用氮肥可能导致氮素淋失或N₂O排放增加，而氮素不足则会限制微生物分解效率和作物对氮的吸收（Liu等人，2023b）。秸秆还田量应根据土壤肥力进行调整。在中等至低肥力土壤中，适量的SR通常可以增强团聚体稳定性、保水能力和生物可利用养分库；而在肥沃土壤中，过量SR可能会损害土壤通气性并抑制微生物呼吸（Wang等人，2021a）。还田方法也会导致不同的效应。一项研究发现，与覆盖相比，直接将秸秆混入土壤可以增加10-15%的SOC（Xia等人，2018）。但在华北平原进行的田间研究表明，在干旱条件下，秸秆覆盖可以改善土壤水分保持能力并提高玉米产量（Zhao等人，2014）。还田持续时间对土壤性质和作物生产力有显著的累积效应。短期施用效果有限，而连续5-10年的还田可以使SOC和总氮（TN）含量分别增加12%以上和10%以上（Wang等人，2021b）。在小麦-玉米轮作系统中，连续还田3-5年的产量增幅最大，之后趋于平稳（Ren等人，2022）。

元分析是一种可靠的统计方法，用于整合来自众多独立研究的异构数据，定量评估SR的生态影响（Liu等人，2014；Zhang等人，2024）。先前的研究已经提供了大量证据，证明SR具有提高产量的效果（Cheng等人，2025）、SOC积累的模式（Liu等人，2023a）以及对个别温室气体排放的影响（Huang等人，2024）。但大多数先前的元分析仅关注单一指标或有限的管理因素，很少有研究能够同时综合评估多种管理因素对作物产量、土壤质量和温室气体排放的影响。此外，大多数研究也没有在一致的分析框架下系统比较水稻、玉米和小麦之间的差异。

因此，本研究通过系统整合2000年至2025年的田间试验数据，涵盖了中国的三大主要粮食作物：水稻、玉米和小麦，填补了上述空白。利用元分析，我们量化了SR对作物产量、土壤质量和温室气体排放的综合效应，研究了不同管理措施的调节作用，并进一步阐明了影响农田生态系统的潜在机制。最终，本研究提出了优化的SR管理策略，旨在平衡作物产量提升、土壤肥力改善和温室气体减排，为绿色农业的发展和中国实现双重碳目标提供理论和数据支持。

章节摘录

数据来源

本研究量化了SR在不同管理措施下对作物产量、土壤质量和温室气体排放的影响。数据来源于Web of Science、Scopus和中国国家知识基础设施（CNKI），涵盖了2000年至2025年间国内外发布的期刊文章、论文和其他出版物。搜索关键词包括“秸秆还田”、“作物产量”、“土壤有机碳”、“土壤氮、磷和钾”、“N₂O”和“CH₄”。

秸秆还田对作物产量、土壤有机碳和温室气体排放的综合效应

总体而言，SR对农业生态系统具有多方面的调节作用，包括作物生产力、土壤健康和温室气体动态。SR通常能提高水稻、玉米和小麦等主要粮食作物的产量。在合理的管理条件下，这种效益较为稳定；而在不理想的管理条件下则效果减弱。这突显了SR作为维持和增加粮食产量的可行策略的一致性。在本研究中，我们建立了一个理论框架来说明这一点

不同管理措施下秸秆还田对主要作物产量的影响

总体而言，SR可以提高水稻、玉米和小麦的产量，其效果很大程度上取决于管理措施，如氮肥施用量、秸秆还田量、还田方法和还田持续时间，这些因素既表现出作物特异性响应，也具有非线性阈值效应。先前的研究也观察到了类似的趋势（Han等人，2018）。本研究中获得的产量增幅与一些早期估计有所不同，这主要归因于我们更大的样本量和更全面的数据分析。

结论

本研究通过元分析系统量化了SR对中国水稻、玉米和小麦生产系统中作物产量、土壤质量和非CO₂温室气体通量的影响。结果表明，SR一致性地提高了作物产量，并改善了SOC储量和养分可用性。这些效应受到氮肥施用量、秸秆还田量、还田方法和还田持续时间等互补管理措施的强烈调节。具体而言，水稻和小麦在最佳管理条件下获得了最佳的产量提升

CRediT作者贡献声明

陈阳帆：撰写——初稿、可视化、正式分析、数据整理。白玉萍：监督、正式分析。张帆：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构思。方文：验证、软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFD1500902）的资助。