中国半干旱区的生态和粮食安全一直是气象学家和生态学家关注的重大科学问题。IPCC报告指出，全球年平均气温将于2040年上升2 ℃，到2100年将上升3 ℃，而升温一旦突破1.5 ℃，气象灾害发生的频率和强度将大幅度提高，对粮食和生态安全产生重大影响^［1］。2000—2020年的CO₂排放量增加13%，预计2020—2030年CO₂排放量将继续维持在10%—15%的增速^［2］。农田生态系统碳库是陆地生态系统最为活跃的碳库，提升农田生态系统有机碳固存是实现碳中和的重要途径^［3］。

玉米（Zea mays L.）在中国具有广泛的种植区域，是重要的高产粮食作物。玉米含有丰富的淀粉和蛋白质，具有很好的环境适应性，是世界上种植最广泛的粮食作物^［4］。联合国粮农组织数据显示，2018年世界玉米生产总量为10.4亿t，占世界粮食总产量的35%。中国玉米年产量高达2.6亿t，占中国粮食总产量的40%，其产量和品质至关重要，这就要求我们必须不断提高玉米生产水平。但目前农业生产中施肥大多数仍采用经验法，存在盲目性，与发展精准农业的要求不适应。土壤有机碳含量不足已成为影响中国农业可持续发展的重要因素^［5］，特别是半干旱区。中国半干旱区面积约为212万km²，占中国陆地面积的22%，生态环境极其脆弱，是中国乃至全球对气候变化响应最为敏感的地区。

中国半干旱区土壤有机碳含量显著低于世界平均水平，水肥利用效率不足严重限制作物生产水平和生态系统固碳潜力。统筹研究半干旱区农田生态系统土壤有机碳含量及其对作物生产和固碳潜力的影响，对区域农业生态安全具有重要意义。因此，本研究以提高半干旱区土壤有机碳利用效率为目标，通过探究作物生产水平及固碳潜力与土壤有机碳含量之间的协同效应，为提高当地粮食作物生产水平和碳储存潜力提供理论依据。

半干旱区指年降水量明显小于潜在蒸发量，年降水量350—400 mm，干旱指数0.2—0.5的气候区。中国半干旱区主要包括内蒙古中东部、陕西北部、宁夏南部、甘肃中东部以及新疆和西藏等地区在内的雨养农业区。本研究于2017—2019年在典型半干旱区宁夏南部（35°45′36″—35°51′00″N、106°43′48″—106°43′46″E，海拔1 577—1 655 m，图1）开展。该地区位于夏季风影响过渡区，属典型温带大陆性气候，年平均气温为6.3—10.2 ℃，多年平均气温7.9 ℃，年降雨量在282.10—765.70 mm，多年平均降水量450 mm，平均无霜期125 d。土壤为黄土高原黄绵土，土层深厚，耕性良好，田间持水率6.73%—19.32%。主要种植作物有小麦、玉米、马铃薯，熟制为一年一熟^［6］。

本研究利用2017—2019野外定位观测数据，以紧凑型耐密高产玉米品种“先玉335”为供试材料，采用机覆全膜双垄等距种植方式播种玉米，覆膜宽为1.1 m，玉米种植行距55 cm，密度6.75万株·hm^-2。按照梅花型，用GPS确定采样点，每个采样点面积控制在1 m×1 m范围内^［7］。2016年起，调查区域内开始连作玉米。播种期结合机耕犁地或旋耕整地，基施农家肥52.50 t·hm^-2，磷酸二铵200 kg·hm^-2（合P₂O₅ 172.5 kg）。大喇叭口期追施磷酸二铵225 kg·hm^-2，氮肥225 kg·hm^-2（尿素），雨养农业无灌溉。

2017—2019年玉米收获期，确定采样点后，人工采集土壤和作物植株样品。取回的植株样品在105 ℃烘箱中杀青0.5 h，然后70 ℃烘至恒重。用内径5 cm的土钻人工采集耕层土壤（0—20 cm），各样方（1 m×1 m）选取5个点。去除土壤样品中的砾石、动植物残体等杂质，充分均匀混合为一个土样，测定土壤中有机碳（SOC）、全氮（STN）、全磷（STP）。人工收获玉米，实打实收，测定作物籽粒中有机碳、全氮、全磷含量，以及蛋白质、淀粉、脂肪、可溶性糖等品质指标。有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用微量凯氏定氮法测定；全磷采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，钒钼黄比色法；蛋白质采用凯氏消煮定氮法测定，再将测得的含氮值乘以6.25；淀粉采用淀粉糖化酶-酸水解法，利用碘比色法测定；脂肪采用残余法测定；可溶性糖采用比色法测定^［8］。

2017—2019年每年分别取样37、33、35个，共105个样品。3年取样采点彼此独立，同样3年间各样品观测值也是独立的。鉴于国内外关于生态系统养分状况与作物生产及固碳潜力的关系多采用量化分析。因此，本文将耕层土壤有机碳以1.00 g·kg^-1等距划分，即土壤有机碳每增加1.00 g·kg^-1对玉米生产和固碳潜力的影响^［9］。采用Orange 2018和SPSS 20.0软件对数据结果进行绘图和统计分析，采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析、多重比较（LSD 法，α=0.05）和相关性分析，图表中数据为平均值±标准误。

作物收获期，SOC、STN、STP分布如图2所示。SOC、STN、STP分别为3.00—13.00、0.60—1.60、0.40—1.00 g·kg^-1。根据中国土壤有机质极大量元素养分含量分级标准，3年间，耕层土壤有机碳相对不足，有9.52%属于极端缺乏水平，74.76%属于缺乏水平，25.72%属于中下水平（表1）。整体来看，不同采样年份SOC与STN、STP之间均存在显著相关性（图2）。主要表现为在一定阈值内STN、STP伴随SOC的增加而增加。SOC与STN、STP在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关系数分别为0.522、0.391。STN与STP在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.383。研究区内SOC 3.00—12.00 g·kg^-1时，STN伴随SOC的增加呈上升趋势，但后期逐渐趋于平缓趋势。SOC超过12.00 g·kg^-1后，又出现一个STN异常高值。研究区域内SOC 3.00—8.00 g·kg^-1时，STP呈现显著上升趋势，随后出现波动下降趋势。SOC超过12.00 g·kg^-1后又出现一个极值。研究区内，STN和STP最高值均出现在有机碳最高值时，及SOC13.00 g·kg^-1时，STN、STP最高。

研究区域耕层土壤pH值和全盐含量分别为7.50—8.15和0.3%—0.37%；速效氮、速效磷、速效钾分别为24.54—55.54、1.50—5.20、101.80—262.95 mg·kg^-1（表2）。根据中国土壤有机质极大量元素养分含量分级标准，速效氮、速效磷属于缺乏和极为缺乏状态。而速效钾相对丰富，属于丰富和极为丰富水平。

3年间耕层土壤速效养分差异较大，甚至出现倍数增长。这可能是因为不同年际间降水差异显著，土壤水含量的高低，直接影响速效养分的吸收。2017年为宁夏南部山区历史严重干旱年份，年有效降水量369.40 mm。而2018年为丰水年，年有效降水504.3 mm。2019年降水超过588.60 mm，与历史同期相比降水偏多67.90%。

不同土壤肥力水平对作物产量及产量构成因素的影响如图3所示。耕层土壤SOC对玉米产量及产量构成因素呈极显著影响（P<0.01）。耕层SOC与玉米每株穗数、穗粒数、百粒重以及每穗重量在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性分别为0.331、0.576、0.331、0.647。SOC与玉米产量呈现积极的正相关关系，SOC显著促进产量及产量构成因素的增长。SOC 3.00—7.00 g·kg^-1时，玉米均为单穗，不存在空秆现象，超出7.00 g·kg^-1后，存在双穗。SOC 3.00—6.00 g·kg^-1时每穗粒数、百粒重和总粒重快速增长，超出6.00 g·kg^-1后呈不明显的波动上升趋势，但最高值均出现在SOC最高时。SOC 3.00—10.00 g·kg^-1，玉米每穗粒重增长354.06%，随后增势逐渐减缓，甚至出现下降趋势。SOC对作物产量的影响与徐明岗等^［10］研究结果相一致（图4）。

耕层STN与玉米产量极显著相关。耕层STN与玉米每株粒数在0.01水平（双侧）上极显著相关，Pearson相关性为0.309；与每株穗数、每穗重量在0.05水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性分别为0.226和0.221。STN与玉米产量呈现正相关关系，STN显著促进产量及产量构成因素的增长。STN 0.60—1.05 g·kg^-1时，玉米产量及产量构成因素呈显著上升趋势，而超出1.05 g·kg^-1后，产量构成因素增速逐渐趋缓，甚至下降趋势。STN 0.80—1.00 g·kg^-1，百粒重最高，随后出现波动下降趋势。这说明适当增施氮肥促进玉米增产，而STN过高，将显著抑制产量增长，尤其在水含量不足时。本研究STN 0.60—1.00 g·kg^-1，玉米产量显著增长，而超出1.00 g·kg^-1后，产量逐渐下降。

耕层STP与玉米产量及产量构成因素呈极显著相关（P<0.01）。耕层STP与玉米每株穗数、穗粒数、百粒重以及每穗重量在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性分别为0.284、0.393、0.432、0.467。由图3可知，STP增加显著促进作物增产，尤其在STP 0.40—0.85 g·kg^-1时，作物产量及产量构成因素呈几何倍数增长，而STP超出0.85 g·kg^-1后，产量构成因素出现下降。这表明STP过高，作物生物量和干物质显著下降，不利于产量及产量构成因素的形成。

耕层土壤C/N与玉米产量及产量构成因素极显著相关（P<0.01）。耕层土壤C/N与玉米每穗粒数、百粒重以及每穗重量在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性分别为0.420、0.389、0.569。耕层土壤C/N 在4.00—8.00，对产量的形成和积累呈正相关。土壤C/N超出8.50后，每穗粒数和百粒重出现明显下降趋势。这表明，C/N过高，不利于产量的积累。

SOC作为土壤肥力的核心和农业可持续发展的基础，其周转过程受气候和耕作的影响而更加复杂。深入理解SOC对生态系统固碳潜力及作物生产水平的协同效应，对提升作物生产水平以及提高土壤养分利用效率具有重要意义，为区域农业可持续发展打下坚实基础。

耕层SOC的增加与玉米有机碳及品质呈显著正相关（图5）。SOC与籽粒有机碳在0.01水平（双侧）上显著相关（P<0.01），Pearson相关性为0.458。耕层SOC在3.00—13.00 g·kg^-1时，SOC（x）与玉米籽粒有机碳（y）、全氮（y）分别存在y=0.0455x²+17.085x+372.33（R²=0.9811，P<0.05）、y=-0.262x²+3.3937x+8.168（R²=0.8438，P<0.05）的相关关系。这表明SOC的增加，促进籽粒有机碳和全氮的增加（表3）。耕层SOC与籽粒淀粉、脂肪在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性分别为0.404和0.607；与籽粒可溶性糖在0.05水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为-0.210。SOC在3.00—13.00 g·kg^-1时，SOC每增加1.00 g·kg^-1，玉米籽粒有机碳、蛋白质、淀粉、脂肪、可溶性糖分别增加0.97—31.88 g·kg^-1、0.08—33.06 g·kg^-1、1.46—93.17 g·kg^-1、0.36—3.56 g·kg^-1、0.10—38.3 mg·kg^-1，均呈先快速增长后逐渐趋于平缓趋势。研究区内，SOC与籽粒全氮和全磷呈倒U型趋势。SOC 3.00—9.00 g·kg^-1和8.00—13.00 g·kg^-1时，SOC每增加1.00 g·kg^-1，籽粒全氮分别增加和减少0.68—2.31、0.31—2.68 g·kg^-1。SOC在3.00—7.00 g·kg^-1和7.00—13.00 g·kg^-1时，SOC每增加1.00 g·kg^-1，籽粒全磷分别增加和减少0.52—0.94、0.01—0.68 g·kg^-1（表3）。

研究区内，SOC增加，籽粒有机碳及淀粉、脂肪、可溶性糖含量呈先快速增加后逐渐平稳趋势。这表明一定阈值内，SOC增加，对玉米固碳潜力和籽粒品质的提升呈现正效应，而超出这个阈值，品质和碳储存潜力的增加将逐渐减弱（图5）。

STN对作物品质的影响如图6所示。STN 0.80—1.10 g·kg^-1时，籽粒碳最高。作物碳含量提高，对生态系统固碳减排及农业可持续发展具有重要意义。STN与籽粒有机碳在0.05水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.205。STN 0.60—1.10 g·kg^-1时，籽粒脂肪快速上升，而STN 超出1.10 g·kg^-1后，脂肪增速逐渐下降。STN与籽粒脂肪在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.432。本文研究表明，STN与籽粒全氮、蛋白质以及淀粉和可溶性糖无显著相关性。籽粒全氮与蛋白质增减趋势相一致。STN与籽粒淀粉先波动上升，后增速减缓，甚至下降。STN与籽粒可溶性糖呈现波动下降趋势，STN增长不利于可溶性糖的积累。

STP对作物品质的影响如图7所示。STP 在0.40—0.70 g·kg^-1时，品质中有机碳和淀粉快速上升，有机碳最高达690 g·kg^-1，而超出0.70 g·kg^-1后，有机碳和淀粉快速下降。STP与籽粒淀粉在0.05水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.206。这表明STP对作物有机碳和淀粉的积累在一定阈值内呈现积极的正效应。

STP与籽粒全氮、蛋白质以及脂肪和可溶性糖无显著相关性（图7）。STP对籽粒全氮、蛋白质的影响呈相同的变化趋势。STP在0.60—0.80 g·kg^-1时，籽粒全氮和蛋白质最高，而当STP超出0.8 g·kg^-1时，籽粒全氮和蛋白质出现明显下降趋势。STP在0.6—0.8 g·kg^-1时，籽粒脂肪最高，而当STP超出0.8 g·kg^-1时，籽粒脂肪出现逐渐下降趋势。总体来看，STP对籽粒可溶性糖无显著影响。

C/N与作物有机碳在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.396（图8）。C/N 4.00—11.00时，籽粒有机碳增长122.62 g·kg^-1，增长率为30.22%。作物有机碳最大值出现在C/N 8.00—12.00，而超出12.00后，有机碳逐渐下降。伴随土壤C/N增长，籽粒淀粉呈波动上升趋势，耕层土壤C/N与玉米淀粉在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.491。C/N 5.00—13.00，淀粉含量增长240.73 g·kg^-1，增长率为47.96%。C/N对作物脂肪含量的影响呈现U型，在0.01水平（双侧）上显著相关，Pearson相关性为0.388。C/N与作物可溶性糖在0.01水平（双侧）上显著负相关，Pearson相关性为-0.260。C/N 4.00—13.00，可溶性糖减少14.85 mg·kg^-1，减少58.63%。

生态系统有机碳的动态变化是人们日益关注粮食安全和控制温室气体排放的重要组成部分^［9-11］。目前，国内外对土壤养分与作物生产的影响开展了大量研究，但存在一定差异。造成结果差异的原因可能是气候、土壤类型、管理措施以及研究方法的不同。

对SOC、STN、STP与作物生产及固碳潜力的影响主要从微观和宏观两个层面展开。微观层面是整合足够多的试验数据，形成适合一定生态区域的数学模型；宏观层面是利用CANDY、CENCURY、CQESTR、DNDC、RothC等碳库模型，开展土地质量变化与作物生产及固碳潜力的定量模拟研究^{［9-10，12-14］}。预测到2050年，单位面积上作物生产水平显著提高，部分地区作物品质下降，尤其是受气候变化影响更为显著的半干旱区^［15］，这就对可持续发展提出更为严峻的挑战。

从作物产量与SOC、STN、STP年际变化来看，出现较为一致的相似性。这说明SOC、STN、STP与作物生产的正相关性。SOC增加对提升作物生产和生态系统固碳有重要意义。半个世纪以来，中国农田SOC呈整体增加趋势，但由于地域辽阔，气候类型多样，土地利用以及研究方法不同，空间差异显著^［16］。中国东北、华及北南方地区SOC分别为10.00—15.00、5.00—8.00、8.00—12.00 g·kg^-1，而西北大部分地区在5.00 g·kg^-1以下^［17］。

植物有机碳约占干物质的38.00%，农田SOC的高低直接影响国家粮食安全及生态系统碳汇水平^［18］。SOC是土壤肥力的核心和农业可持续发展的基础，与作物生产之间具有明显的协同效应^{［10，19］}。然而，中国SOC密度分别低于世界平均水平约30%和欧洲国家约50%，有机碳不足严重影响农业可持续发展^［5，20］。SOC每增加1 g·kg^-1，中国北方地区玉米产量增加176—328 kg·hm^-2［9］。徐明岗等^［10］研究表明，农田土壤每固定 1.0 t·hm^-2·a^-1有机碳，作物增产0.7 t·hm^-2，该响应值受环境及农田管理影响存在一定差异，但不会无限增长。加拿大半干旱区SOC超过20 g·kg^-1后，SOC增加将抑制作物增产^［21］。氮素是构成蛋白质的主要成分，是与作物生产密切相关的元素。乌干达半干旱区施氮后，有效提高氮素利用效率，玉米增产120%^［22］。马铃薯产量小于20 t·hm^-2时，STN与作物生产显著正相关，而产量大于20 t·hm^-2后，产量与STN不存在显著相关性^［23-24］。Aulakh等^［25］研究表明，有效磷的增加，显著促进花生和油菜产量的提高，而磷含量过高，产量逐渐趋于稳定。SOC提高，可促进作物产量及土壤固碳潜力增加^［26-28］。半干旱区土壤湿度增加，提高氮肥偏生产力，有效提高作物产量。在水分满足的情况下，适量増施氮肥提高玉米的最大灌浆速率，增加灌浆期的持续时间，促进干物质的积累，显著提高作物生产水平^［25］。受水分限制，大量氮素损失导致巴基斯坦农田生产效率下降，成为大气碳源^［29］。在尼日利亚，高粱施氮量为30、60、90 kg·hm^-2时，籽粒产量较零氮处理分别提高32.3%、89.2%、75.5%^［30］。这与本研究结果一致，在一定阈值内SOC、STN、STP、C/N增加，促进玉米增产，而超出阈值后，产量不再持续增长。这可能是土壤水分不足，STN、STP相对过剩，导致速效养分含量不足，抑制作物产量的形成。由此可见，在半干旱区，土壤水含量对作物产量的形成有着重要意义。另外，研究区积温较低，玉米为覆膜种植。耕层土壤温度较高，有机碳以CO₂的形式被分解掉，C/N过低制约作物产量的形成。

玉米品质的优劣主要取决于蛋白质、淀粉、脂肪、可溶性糖、有机碳等含量的多少及其所占比例。本研究表明，伴随SOC的增加，籽粒中有机碳、淀粉、脂肪、可溶性糖呈上升趋势。这主要是因为SOC作为氮磷等元素的主要来源，为作物生长提供必要的养分供应。SOC增加形成大量稳定的有机无机复合体，有效增强土壤透水性、孔隙度，显著改善土壤质地和结构，对土壤团聚体的形成和稳定发挥着重要作用。

氮是蛋白质和核酸的重要组成部分，高蛋白是作物营养价值的体现^［31］。STN过低，灌浆速率下降，植株向籽粒的输送的氮素减少，不利于有机化合物形成^［32］。经过两年的堆肥处理，作物籽粒及秸秆氮含量显著增加^{［29，33-35］}。适量增施氮肥显著提高了小麦和玉米籽粒中N、P、K含量，促进淀粉和脂肪酸的形成^{［16，36-37］}，玉米籽粒中粗蛋白、淀粉、可溶性糖分别增加6.50%—7.80%、5.20%—5.70%、9.50%—14.80%^［16］。与已有研究相同^{［33，37］}，本研究发现，蛋白质各组分含量与施氮量以及土壤肥力呈显著正相关，这可能与氮素影响植物体内多种化合物的合成有关。但也有学者认为，施氮提高籽粒蛋白质含量，降低淀粉含量^［37］。耕层土壤増施氮肥125—200 kg·hm^-2，玉米籽粒中蛋白质和淀粉含量增加最为明显，分别增加8.09%—10.53%和139%—302%^［38］，而过量施氮玉米籽粒品质下降，这与本研究结果一致， SOC 3.00—13.00 g·kg^-1时，淀粉含量提高52.15%，平均SOC每增加1.00 g·kg^-1，淀粉增加25.64 g·kg^-1，进一步支持了适量增施有机肥有效提高淀粉的观点；但是，STN过高，导致籽粒全氮和全磷含量下降，这与前人研究结果一致。一定阈值内，随耕层土壤碳氮的增加，作物籽粒中蛋白质、可溶性糖、脂肪、淀粉含量增加，品质改善。而超出一定阈值，作物品质逐渐趋于缓慢，甚至出现不显著下降趋势。

农田生态系统SOC、STN、STP显著影响中国半干旱区作物生产及固碳潜力。总体来看，SOC、STN、STP以及C/N的增加，促进玉米产量的增加。而当SOC、STN、STP及C/N分别超出10.00、1.00、0.85 g·kg^-1及8.50阈值后，玉米产量的增长出现减缓，甚至下降趋势。

研究区域内SOC含量为3.00—13.00 g·kg^-1，籽粒有机碳、蛋白质、淀粉、粗脂肪、可溶性糖均呈先快速增长后逐渐趋于平缓，甚至下降的趋势，分别增长43.47%、77.13%、52.16%、56.92%、116.71%。籽粒全氮和全磷呈现倒U型变化趋势。STN、STP对玉米品质的影响相对较弱。STN 0.80—1.10 g·kg^-1时，籽粒碳含量最高。STN 0.60—1.10 g·kg^-1时，伴随STN的提高，籽粒脂肪含量快速上升，但当STN 超出1.10 g·kg^-1后，脂肪出现波动下降趋势。籽粒全氮与蛋白质增减趋势一致，STN与籽粒全氮、蛋白质以及淀粉和可溶性糖无显著相关性。STP 在0.40—0.70 g·kg^-1时，籽粒有机碳和淀粉含量快速上升，有机碳含量最高达690 g·kg^-1，而超出0.70 g·kg^-1后，有机碳和淀粉含量出现下降趋势。STP与籽粒全氮、蛋白质以及脂肪和可溶性糖无显著相关性。STP在0.6—0.8 g·kg^-1时，籽粒脂肪、全氮和蛋白质含量最高，而当STP超出0.8 g·kg^-1时，籽粒全氮和蛋白质出现明显下降趋势。总体来看，STP对籽粒可溶性糖无显著影响。

土壤有机质在全球碳、氮循环中起重要作用，SOC对减缓气候变化，实现碳中和具有重要价值。本研究认为，SOC、STN、STP存在一定的阈值。随着SOC、STN、STP、C/N的增加，玉米产量和品质在达到一定峰值后，出现逐渐下降趋势。综合考虑SOC、STN、STP、C/N对玉米生产状况的影响，提出研究区域SOC、STN、STP及C/N的合理阈值范围分别为10.00—12.00、0.80—1.10、0.70—0.85 g·kg^-1及8.00—9.00。这个结论对指导中国半干旱区农田生态系统有机碳贮存和固碳潜力的提高，合理培肥以及作物生产水平的提高具有指导意义，对利用生态系统实现碳中和具有重要参考价值。

虽然本文就2017—2019年中国半干旱区农田SOC、STN、STP与作物生产的影响做了相关分析，并以此推测半干旱区耕层SOC、STN、STP、C/N的最佳阈值，但并未明确水热以及大气CO₂浓度对SOC、STN、STP与作物生产水平和固碳潜力之间的协同效应，且未量化这些因子的贡献。因此，在未来研究中，还需要开展长时间序列的科学试验，借助遥感和地理信息系统（GIS）与模型模拟，量化上述因子对作物生产和固碳潜力的贡献，精确计算气候与变化背景下SOC、STN、STP对作物生产水平及生态系统固碳潜力的协同效应^［39］。