美国南部棉花产区土壤健康管理系统的区域尺度效应评估

本文通过在美国南部7个棉花主产区开展大规模土壤调查，创新性地建立了包含土壤有机碳（SOC）、团聚体稳定性指数（ASI）和碳矿化潜力（CMP）的多指标评估体系。研究采用贝叶斯层次模型量化了管理措施（如保护性耕作和覆盖作物）对土壤健康指标的提升效应（11%-22%），并首次以多年生植被为参照系明确了各区域土壤健康提升潜力（38%-177%）。该研究为区域尺度土壤健康精准评估提供了重要方法论支撑，对推动农业可持续发展具有指导意义。

　　

研究背景与意义

随着农业可持续发展理念的深入，如何通过管理措施提升土壤健康已成为全球关注焦点。土壤健康指标（土壤有机碳SOC、团聚体稳定性指数ASI、碳矿化潜力CMP）和有机碳储量（SOC_stock）作为衡量土壤功能的核心参数，其量化评估对实现农业生态系统多功能性至关重要。美国南部棉花产区作为重要农业区域，其土壤健康管理实践的系统性评估尚属空白。

研究方法与设计

本研究在美国南部7个主要棉花产区（涉及德克萨斯州、阿肯色州、密西西比州、阿拉巴马州和佐治亚州）开展大规模土壤采样。采样设计基于土壤健康采样组（SHSG）分类体系，重点覆盖占棉花轮作面积75%以上的主要土壤类型。每个区域设置三类管理系统对比：基线系统（当地主流耕作方式）、土壤健康管理系统（SHMS，包含保护性耕作/覆盖作物等实践）和多年生参照系统（永久植被覆盖）。

实验室分析严格遵循土壤健康研究所（SHI）标准流程，测定0-15 cm和15-30 cm土层的SOC浓度、ASI（通过图像化崩解分析计算）、CMP（24小时培养法）等指标。同时收集土壤质地、pH值、年均温（MAT）和年降水量（MAP）等环境协变量。

数据分析采用贝叶斯层次模型，量化管理措施与非管理因素（质地、气候等）对土壤健康指标的相对贡献。模型通过留一法交叉验证优选协变量组合，最终解释60%-70%的指标变异。

主要发现

1. 1.
   土壤健康指标的区域特征
   各区域土壤健康指标呈现显著空间异质性。Vertisol主导的德州海湾海岸平原和北部黑土平原表现出最高的SOC中位值（0-15 cm层达1.2%），而砂质土壤为主的佐治亚州南部沿海平原则显示出最高的ASI中位值（0.78）。德州南部高原则因干旱寒冷气候，各项指标均处于较低水平。
2. 2.
   非管理因素的影响机制
   土壤质地是影响指标的最稳定因素，黏粒含量每增加10%，SOC_conc,0-15提升最高达181%。气候效应存在区域特异性：在德州南部高原，温度升高导致SOC降低51%；而在海湾海岸平原，降水量增加使CMP提升98%。pH值与CMP呈驼峰型关系，最适pH为6.4。
3. 3.
   管理措施的改善效应
   与基线系统相比，SHMS使三大土壤健康指标提升11%-22%，相当于参照系统潜力的20%-39%。具体而言：
   • •
     SOC_conc,0-15在3个区域显著提升（12%-18%）
   • •
     ASI在5个区域改善（11%-19%），佐治亚州砂质土壤团聚体出现概率增加282%
   • •
     CMP在4个区域提高（14%-22%）
   • •
     阿肯色州密西西比河冲积平原的0-30 cm SOC_stock提升11%，主要源于15-30 cm土层19%的增长
4. 4.
   土壤健康潜力实现度
   各区域达到参照值100%的农田比例存在差异：SOC_conc,15-30实现度最高（7%-27%），而SOC_stock,0-15最低（0-3%）。研究表明实现参照值70%可作为土壤健康改良的可行目标。

创新与启示

本研究首次在美国南部多区域尺度上验证了土壤健康管理系统的有效性，揭示了管理措施对不同土壤健康指标的差异化影响规律。提出的贝叶斯建模框架为区域土壤健康评估提供了可推广的方法工具。研究结果强调：

1）多指标协同评估的必要性，避免单一指标误判

2）土壤质地和气候背景在目标设定中的关键作用

3）通过农民主导的实践推广可进一步释放土壤健康潜力

研究局限与展望

当前采样策略偏向优质农地，未来需关注边缘土地的土壤健康演变。管理措施持续时间、实施质量等连续变量的量化，以及土壤健康指标的时空动态监测，将是重要研究方向。整合空间替代时间法与长期定位观测，有望深化对管理措施长期效应的认知。