从免耕转变为偶尔耕作并未改变土壤健康状况

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Soil health unaltered by conversion from no-till to occasional tillage

实现农业土壤生产力和生态可持续性需突破传统管理方式。研究比较了免耕（NT）与偶尔耕作（OT）对土壤健康的影响，并与原生草地（Native sod）作为基准。结果显示，NT和OT在0-15 cm土层中土壤有机碳（SOC）、活性碳（POXC）、呼吸量（CO2-C）和可 autoclave citrate 提取的蛋白质（ACE）方面无显著差异，但均显著低于原生草地（p < 0.00001）。研究历时14年，涵盖两次OT操作，表明OT不会逆转NT的土壤健康效益，为解决免耕系统杂草和病虫害问题提供了潜在解决方案。

　　本研究探讨了在干旱地区农业系统中，将连续免耕（No-till, NT）转变为偶尔耕作（Occasional Tillage, OT）对土壤健康指标的影响。研究聚焦于两种耕作方式对土壤有机碳（SOC）、可氧化碳（POXC）、土壤呼吸（CO?-C）以及通过自封式柠檬酸提取（ACE）测定的土壤蛋白含量的差异，同时与未受干扰的本地草皮（Native Sod）进行对比。研究发现，在0至15厘米的土壤深度范围内，NT和OT在这些指标上表现出相似的水平，而本地草皮则显著优于NT和OT。这些结果表明，OT作为一种替代策略，可能在不损害土壤健康的情况下有效解决NT系统中出现的杂草管理和养分分层问题。此外，研究强调了长期研究的必要性，以评估OT对土壤健康的影响，尤其是在不同时间和空间尺度下的表现。

### 背景与研究意义

现代农业面临着提高生产力与实现生态可持续性的双重挑战。传统的耕作方式，如翻耕（Moldboard Plow, MP），虽然能够有效控制杂草和改善土壤结构，但长期实施会导致土壤侵蚀、有机质流失以及微生物群落结构的变化。相比之下，免耕（No-till, NT）作为一种可持续的耕作方式，因其对土壤结构的保护、减少水分流失和提高土壤肥力而受到广泛关注。然而，NT系统在杂草控制和养分管理方面存在局限性，这促使农业学者和实践者探索替代方案。偶尔耕作（Occasional Tillage, OT）作为NT系统的一种补充措施，被提出为解决这些问题的潜在途径。

OT通常指每隔6年进行一次耕作操作，这种周期性但低频率的耕作方式被认为可以在不显著影响土壤健康的前提下，改善土壤结构、增加通气性并促进养分混合。然而，一些研究者担心，OT可能会削弱NT带来的土壤健康优势，例如SOC的积累和微生物活动的增强。因此，有必要通过长期实验，验证OT是否能够在不影响土壤健康的情况下，维持或提高作物产量，并有效应对杂草和病虫害问题。

本研究的实验始于1970年，采用冬季小麦（Triticum aestivum L.）—休耕（Fallow）的轮作模式，实验区域位于美国内布拉斯加州的High Plains Agricultural Laboratory。实验设计为随机完全块设计（Randomized Complete Block Design, RCBD），包含连续免耕（NT）、残茬覆盖（Stubble Mulch, SM）、翻耕（Moldboard Plow, MP）和本地草皮（Native Sod）四种原始处理方式。在2010年至2011年期间，NT、SM和MP处理的地块被划分为两部分，并分别分配为NT和OT。最终，研究使用了原始NT地块和本地草皮作为对比组，分析了在转换为OT后，土壤健康指标的变化情况。

### 研究方法与实验设计

实验地块的面积为8.5米×45.5米，每个地块的处理方式在不同年份交替进行。例如，第一阶段（Tillage C）的地块在偶数年种植冬季小麦，奇数年休耕；第二阶段（Tillage D）则相反。在每个种植周期结束后，地块会经历长达14个月的休耕期，期间使用除草剂（如Roundup和2,4-D LV6）进行杂草控制。这些除草剂的使用频率为每年2至3次，以维持作物生长所需的环境条件。

为了评估土壤健康指标，研究人员在2022年和2023年分别采集了0至15厘米深度的土壤样本。样本的采集和分析方法包括：SOC的测定采用干燃烧法；POXC的测定通过柠檬酸提取和比色计分析；土壤呼吸（CO?-C）则通过红外气体分析仪测量，利用空气干燥土壤样本在密闭容器中进行24小时的培养；ACE蛋白的测定则通过将空气干燥的土壤样本与柠檬酸缓冲液混合，并在高压和高温条件下进行自封处理，随后通过离心和分光光度计分析提取物中的蛋白质含量。

数据分析采用R语言及其相关包进行，如readxl用于导入Excel数据，emmeans用于计算估计边际均值，并通过ggplot进行可视化。研究还考虑了年份和处理方式之间的交互作用，以评估土壤健康指标随时间的变化趋势。

### 研究结果与分析

#### 1. 土壤有机碳（SOC）

SOC的含量在NT和OT之间没有显著差异（p ≥ 0.05），但两者均显著低于本地草皮（p < 0.00001）。具体而言，本地草皮的SOC含量比NT和OT分别高出至少7.3克/千克。这一结果表明，NT和OT在SOC的积累方面表现相似，而本地草皮作为自然系统，其SOC含量明显更高。SOC的高含量通常与土壤有机质的稳定性和长期碳储存能力有关，这在免耕系统中得到了一定程度的保护，但由于缺乏足够的生物量输入，特别是在14个月的休耕期，SOC的积累仍然受到限制。

研究还指出，OT虽然在短期内可能导致土壤结构的轻微破坏，但由于其低频率的操作特点，土壤团聚体的稳定性可以迅速恢复，从而保护SOC免受快速矿化的影响。这一特性使得OT在SOC含量上与NT保持相似水平，且不会显著降低SOC的积累。

#### 2. 可氧化碳（POXC）

POXC的含量同样在NT和OT之间没有显著差异，但两者均显著低于本地草皮（p < 0.00001）。本地草皮的POXC含量比NT和OT高出至少156毫克/千克。POXC作为衡量土壤中可利用碳的指标，反映了土壤中微生物活性和有机质分解能力。本地草皮的高POXC含量可能与其丰富的植物群落有关，这些植物不仅增加了生物量的输入，还通过根系活动促进了土壤中碳的固定和转化。

在NT和OT之间，POXC的相似性表明，即使在长期免耕的情况下，偶尔的耕作操作也不会显著影响土壤中可氧化碳的含量。这可能是由于OT能够快速恢复土壤团聚体的稳定性，从而减少微生物对SOC的分解。此外，本地草皮中的植物多样性也促进了更广泛的有机质来源，使其在POXC含量上远超农业系统。

#### 3. 土壤呼吸（CO?-C）

土壤呼吸的测量结果表明，NT和OT在0至15厘米土壤深度的CO?-C含量没有显著差异（p ≥ 0.05），但两者均显著低于本地草皮（p < 0.00001）。本地草皮的CO?-C含量比OT和NT分别高出约84毫克/千克。土壤呼吸的差异反映了土壤微生物活动的水平，而本地草皮由于其丰富的植物群落和持续的有机质输入，能够维持更高的微生物活性，从而促进更多的碳释放。

NT和OT在CO?-C上的相似性进一步支持了OT在维持土壤健康方面的作用。虽然NT系统在长期免耕条件下可能减少土壤扰动，但OT的周期性操作能够促进土壤通气性，增强微生物活动，从而在不显著影响SOC的情况下，维持较高的土壤呼吸水平。

#### 4. 自封式柠檬酸提取蛋白（ACE蛋白）

ACE蛋白的含量在NT和OT之间没有显著差异（p ≥ 0.05），但两者均显著低于本地草皮（p < 0.00001）。本地草皮的ACE蛋白含量比NT和OT高出56%。ACE蛋白作为衡量土壤中蛋白质含量的指标，反映了土壤有机质中氮素的储存和转化能力。本地草皮的高ACE蛋白含量可能与其丰富的植物种类有关，这些植物通过根系和地上部分的生物量输入，增加了土壤中蛋白质的来源。

NT和OT之间的ACE蛋白相似性表明，即使在低频率的耕作条件下，土壤中的蛋白质含量仍然能够维持。这可能是由于OT能够迅速恢复土壤团聚体的稳定性，从而减少微生物对蛋白质的分解。此外，本地草皮中的植物多样性也促进了蛋白质的持续输入，使其在ACE蛋白含量上远超农业系统。

### 研究结论

本研究的结果表明，将连续免耕（NT）系统转换为偶尔耕作（OT）不会显著降低SOC、POXC、ACE蛋白和CO?-C等土壤健康指标的水平。NT和OT在0至15厘米土壤深度范围内表现出相似的土壤健康特性，而本地草皮则显著优于这两种耕作方式。这一发现为干旱地区农业实践提供了新的思路，即通过周期性但低频率的耕作操作，可以在不损害土壤健康的前提下，解决NT系统中出现的杂草管理和养分分层问题。

此外，研究还指出，本地草皮作为自然系统，其土壤健康指标远高于农业系统，这可能与其丰富的植物群落和持续的有机质输入有关。因此，本地草皮可以作为评估农业管理措施对土壤健康影响的基准。研究建议，未来的研究应进一步探索不同轮作模式对土壤健康指标的影响，特别是在不同土壤深度和不同时间尺度下的表现。同时，农业实践者可以考虑在干旱地区引入OT，以在不显著降低土壤健康水平的情况下，提高作物产量和减少杂草问题。

### 研究意义与未来方向

本研究的发现对农业实践具有重要的指导意义。首先，NT和OT在土壤健康指标上的相似性表明，OT可以作为一种有效的杂草管理策略，而不必完全放弃NT带来的土壤保护优势。其次，本地草皮的高土壤健康指标为农业实践者提供了参考，表明自然生态系统在维持土壤健康方面具有显著优势。因此，未来的农业管理策略可以结合NT和OT的优势，同时借鉴本地草皮的生态特性，以实现更高的生产力和生态可持续性。

此外，研究还强调了长期研究的重要性。尽管NT和OT在短期内对土壤健康指标的影响较小，但随着时间的推移，这些指标的变化趋势仍需进一步观察和分析。特别是在不同气候条件和土壤类型下，OT对土壤健康的影响可能会有所不同。因此，未来的研究应考虑不同地区的土壤特性和气候条件，以更全面地评估OT的适用性和效果。

最后，研究还指出，NT和OT在土壤健康指标上的相似性可能与其对土壤团聚体的保护作用有关。土壤团聚体的稳定性不仅影响SOC的积累，还对微生物活动和土壤呼吸产生重要影响。因此，未来的农业实践应注重土壤团聚体的维护，以确保土壤健康指标的长期稳定。同时，通过引入更多的植物多样性，如覆盖作物和轮作系统，可以进一步提高土壤健康水平，减少土壤健康差距。