南达科他州立大学的一项新研究表明，耕作强度的降低导致土壤有机碳含量增加，玉米和大豆产量增加。

根据南达科他州立大学农学、园艺和植物科学系的一项新研究，自2000年以来，玉米和大豆的产量大幅增加。在南达科他州、爱荷华州、明尼苏达州和内布拉斯加州，玉米产量每年每英亩增幅超过两蒲式耳，大豆产量每年每英亩增幅超过半蒲式耳。

虽然改良作物品种有助于提高产量，但通过采取少耕或免耕等保护性措施，土壤健康状况的改善也发挥了重要作用。研究表明，土壤有机质含量正以每年每英亩超过650磅的速度增长。更高的土壤有机质含量对土壤健康的改善贡献巨大。

据圣地亚哥州立大学毕业生、现任堪萨斯州立大学助理教授的迪帕克·乔希 (Deepak Joshi) 和圣地亚哥州立大学土壤科学杰出教授戴维·克莱 (David Clay) 称，这项研究的结果表明，改良遗传学、降低耕作强度、更多地采用其他保护措施以及提高土壤持水能力等综合影响，导致玉米和大豆的年产量不断提高。

耕作方式的演变

19世纪，随着东部移民的到来，南达科他州的大草原上开始出现定居点。当时，农民们用铧式犁翻耕土壤并使其通气。这个过程被称为“耕作”，有助于控制杂草，并为播种做好准备。虽然这种方法成功地为该地区种植了作物，但也带来了挑战，并最终导致了灾难。沙尘暴——可以说是现代历史上最大的生态灾难——部分原因是原生草原草类的破坏以及对宝贵肥沃表土的过度耕作。

密集而广泛的耕作方式也导致土壤有机碳含量处于历史低位。最终，科学家们了解到，土壤有机碳——土壤中可测量的有机质成分——在土壤健康中发挥着关键作用。碳是有机质的主要成分，有助于养分保留、土壤结构和土壤水分储存——这些都是高产的关键要素。

随着科学家和农民开始深入了解耕作与土壤有机碳之间的关系，农业实践也开始发生变化。从20世纪80年代起，耕作强度逐渐降低，首先是保护性耕作系统，然后是免耕系统。

1985年至2010年间进行的调查发现，在大平原地区，农民迅速采用了免耕系统，因为它增加了土壤蓄水量，提高了作物的盈利能力。到2012年，约有33%的美国农场采用了免耕。2018年至2021年间进行的一项调查发现，南达科他州东部77%的农民使用了某种形式的少耕系统。

显然，需要进行一项全面的研究，以更好地理解土壤有机碳水平、耕作强度减少和产量之间的关系。克莱和他的研究团队分析了21年(2000-2021年)的数据，发表了题为《耕作强度降低与产量提高相结合可能减缓美国中部碳饱和》的关键研究，该研究发表在《科学报告》上。

研究小组利用 21 年间来自南达科他州的 650,000 多个表层土壤样本，确定南达科他州的田地每年每英亩土地储存 428 磅碳。

“根据从南达科他州、明尼苏达州、爱荷华州和内布拉斯加州采集的超过1200万份土壤样本，我们确定在21年间，约有12.4亿公吨的碳被储存在六英寸厚的表层土壤中，”克莱说。“除了储存大量的碳之外，土壤健康状况的改善很可能也有助于减少片蚀和沟蚀。1987年至2017年间，内布拉斯加州、爱荷华州、明尼苏达州和南达科他州的片蚀和沟蚀分别减少了22.8%、14.3%、27.5%和31.5%。”

减少耕作、产量增加和土壤侵蚀之间存在联系，”克莱继续说道。“降低耕作强度可以减缓土壤有机质的分解，从而提高土壤的保水能力，最终提高产量。产量提高会导致土壤有机质增加，从而进一步提高生产力，同时减少径流和土壤侵蚀。”

土壤有机碳含量的增加可以归因于玉米收获后留在田地中的残留物(例如玉米秸秆、玉米根和玉米分泌物)的增加。这些物质被称为未收获碳，会被土壤中的生物分解并转化为腐殖质——一种植物腐烂后形成的深色有机物质。腐殖质对土壤有很多益处，研究人员将其作为土壤有机质进行测量。

该研究强调了一个关键点：更高的产量是多种因素共同作用的结果，包括改良的基因和土壤健康。正如克莱所指出的，这些因素显然协同作用，形成了一个反馈循环，增加了土壤有机质，进而提高了产量。每年，这个循环都会持续下去，同时提高土壤有机质水平和产量。

碳饱和度

土壤中的碳含量是否存在过高点?这个概念被称为碳饱和，它表明土壤中可储存的有机碳量是有限的。一旦达到土壤的极限，土壤有机质就可能不再增加。

根据克莱的研究，南达科他州的土壤尚未达到碳饱和。

克莱补充道：“这些发现还表明，随着耕作强度不断降低，以及覆盖作物(非收获碳的另一个来源)更充分地融入生产系统，内布拉斯加州、爱荷华州、明尼苏达州和南达科他州的土壤可能能够储存更多的碳。”

减少化肥使用和增强抗旱能力

克莱认为，南达科他州田地土壤有机碳含量的增加可能意味着农民不需要在玉米田中使用那么多的氮。

2024 年，一个研究小组报告称，在南达科他州，氮肥推荐量可以减少约 25%，而不会降低玉米产量，其中包括圣地亚哥州立大学 (SDSU) 研究助理 Dwarika Bhattarai、David Clay、Sharon Clay、圣地亚哥州立大学 (SDSU) 研究生助理 Shailesh Pandit 和 Rojina Kafle、圣地亚哥州立大学 (SDSU) 教授 Thandi Nleya 以及​​圣地亚哥州立大学 (SDSU) 助理教授兼推广土壤肥力专家 Jason Clark。

Clay 将氮肥减少率的部分原因归因于土壤健康状况的改善，从而提高了氮肥利用效率。目前，该团队正在努力更好地理解土壤有机碳增加与氮肥推荐量减少之间的关系。

他们还认为，土壤有机碳含量的提高与抵御极端天气事件的能力增强有关。由于土壤有机碳含量高有助于提高蓄水能力，南达科他州土壤的恢复力也得到了提升，使其能够更好地应对干旱。此前一项研究比较了1974年和2012年南达科他州干旱的经济影响，证实了这一点。

这项研究表明，尽管 2012 年的干旱比 1974 年更为严重，但土壤健康状况的改善仍为 2012 年干旱期间南达科他州的农业净回报带来了 11 亿美元的经济影响。

更多信息： Deepak R. Joshi 等，《耕作强度降低与产量提高相结合，或可减缓美国中部土壤碳饱和》，《科学报告》(2025)。