长期保护性农业对巴拉圭低投入热带农业土壤养分库的影响：一项32年田间试验的启示

《Soil Advances》：Can no-tillage and crop diversification sustain nutrient stocks in acidic and poorly-fertilized soils? Evidence from 32 years of real-world agricultural management in Paraguay

本研究聚焦巴拉圭长期低投入农业导致的土壤酸化与养分耗竭问题，研究人员通过一项长达32年的田间定位试验，系统评估了不同耕作制度（常规耕作、少耕、免耕）与作物多样化水平对土壤宏量和微量元素库的影响。结果表明，免耕结合作物多样化（NT2、NT3）能显著提升0-30 cm土层氮、磷、钾、钙、镁等宏量养分储量，并适度提高土壤pH值，而常规耕作则导致部分微量元素（铜、铁、锰）的短期活化。该研究为热带地区低投入农业系统通过保护性耕作实现土壤健康与养分可持续管理提供了关键实证。

　　

在热带地区的农业实践中，长期依赖单一作物种植和传统耕作方式，正悄然侵蚀着农业生产的基础——土壤健康。特别是在巴拉圭这样的农业国家，许多农户采用低投入的管理模式，即施用远低于作物需求的肥料且不进行土壤改良（如施用石灰调节酸性土壤），这导致土壤养分持续耗竭，酸化加剧，最终威胁到农业的可持续性。面对这一严峻挑战，一个核心问题摆在了科研人员面前：在低投入的条件下，是否存在一种农业管理方式，能够像“土壤守护神”一样，有效保存甚至提升土壤肥力，从而支撑起长期的作物生产？

为了回答这个问题，一个研究团队在巴拉圭东方省的坎普斯-哈鲁尔地区，坚守了一项长达32年的田间定位试验。他们像耐心的观察者一样，持续追踪了五种不同的农业系统对土壤化学性质的影响。这些系统构成了一个从传统到保护、从简单到复杂的梯度：从频繁翻动土壤的常规耕作（CT）小麦-大豆轮作，到减少扰动的少耕（RT），再到完全免耕（NT）但作物序列复杂程度不同的系统。其中，免耕系统又分为三个层次：NT1是简单的小麦-大豆轮作；NT2引入了黑燕麦作为覆盖作物，序列更为多样；NT3则进一步加入了毛叶苕子和玉米，实现了更高程度的多样化种植。重要的是，所有这些系统都模拟了当地农户的“低投入”现实，即施肥量不足且从未施用过石灰。经过三十多年的数据积累，研究人员在2023年作物收获后，对土壤进行了“深度体检”，分层（0-10, 10-20, 20-30 cm）测定了11种必需营养元素的储量以及酸碱度（pH），旨在揭示不同管理方式下土壤养分保存的长期规律。他们的研究成果最终发表在了土壤科学领域的期刊《Soil Advances》上。

研究人员开展这项研究，主要依赖于长期田间定位试验这一核心方法。他们在同一地点维持五种不同的耕作与轮作系统长达32年，确保了研究结果的长期性和可靠性。土壤样品按深度分层采集，并采用标准方法分析了pH值、总氮（N）、有效磷（P）、交换性钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）以及有效态硼（B）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）的含量。养分储量（Stock）的计算结合了土壤容重（BD）并采用了等效土壤质量法进行校正，以更准确地比较不同处理。数据分析综合运用了方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）和相关性分析等统计方法，以揭示农业系统与养分储量之间的内在联系。

农业系统对土壤宏量养分储量的影响

研究结果清晰地表明，保护性农业措施，特别是免耕结合作物多样化，是维持和提升土壤宏量养分库的关键。在0-30厘米的整个土壤剖面尺度上，差异尤为明显。高度多样化的免耕系统（NT3）储存了最多的氮（N，4.9 Mg ha^-1）和磷（P，360 kg ha^-1），分别比常规耕作（CT）高出15%和40%。钾（K）的储量也在免耕系统（NT2和NT3）中达到最高（约3.2 Mg ha^-1），显著高于常规耕作。对于次级宏量元素，钙（Ca）和镁（Mg）的储量在NT2和NT3系统中也表现最佳，比CT系统高出超过30%。这些养分的积累呈现出明显的表层聚集现象，即差异主要出现在0-20厘米的土层，尤其是在0-10厘米处最为显著。这表明免耕和多样化的作物残茬归还主要通过改善表层土壤的有机质循环和物理结构来促进养分的保存。即使是作物多样化程度较低的免耕系统（NT1），其宏量养分储量也普遍高于常规耕作，凸显了免耕本身在减少土壤扰动和养分流失方面的积极作用。

农业系统对土壤微量养分储量的影响

与宏量养分的变化模式不同，微量养分对农业系统的响应更为复杂，甚至呈现出相反的趋势。在剖面总储量上，常规耕作（CT）系统的有效铜（Cu）、铁（Fe）和锰（Mn）储量最高，例如CT的铜储量（450 kg ha^-1）几乎是免耕系统的两倍。铁和锰也显示出类似规律，CT系统的储量显著高于免耕系统。锌（Zn）和硼（B）的储量在不同系统间则未表现出一致的差异。这种看似“矛盾”的结果——即常规耕作反而有更高的有效态微量元素——很可能与耕作扰动引起的土壤化学环境剧变有关。翻耕会破坏土壤结构，增加氧气供应，可能暂时活化被固定的微量元素；同时，耕作可能导致土壤局部pH值降低（本研究中CT的pH平均为4.95，低于免耕系统的5.29），在酸性条件下，铜、铁、锰等金属元素的溶解度会增加，从而被提取剂更多地提取出来。而免耕系统下相对稳定的物理化学环境和较高的有机质，可能促进了这些微量元素向更稳定的形态转化，而非其有效性降低。

土壤养分储量与酸度的关系探索

主成分分析（PCA）将五种农业系统清晰地分为两组：常规耕作（CT）和少耕（RT）聚集在一起，与较高的铜、铁、锰、锌储量相关联；而高度多样化的免耕系统（NT2和NT3）则与较高的氮、磷、钾、钙、镁、硼储量以及相对较高的土壤pH值紧密相关。简单的免耕系统（NT1）处于中间位置。相关性分析进一步证实，土壤pH值与绝大多数宏量养分（磷、镁、钙、氮、钾）储量呈极显著正相关，而与铜、锰、锌、铁等微量养分储量呈负相关。这表明，免耕和作物多样化在提升土壤pH值（尽管仍低于最适范围）方面的微弱但积极的作用，是驱动宏量养分更好保存的一个重要协同因素。较低的酸度有利于减少铝毒害，提高阳离子交换能力，从而增强土壤对养分的保持力。

研究结论与意义

这项长达32年的研究得出结论：在巴拉圭典型的低投入农业条件下，采用免耕并结合作物多样化（如引入覆盖作物和不同种类的经济作物）的农业系统，能够有效地保存和提升土壤中氮、磷、钾、钙、镁等关键宏量营养元素的储量。这种保护性农业模式通过减少土壤扰动、增加有机物归还、改善土壤结构以及适度缓解土壤酸化，创造了一个更有利于养分循环和保存的土壤环境。尽管常规耕作可能短期内提高某些微量元素的有效性，但这更多是土壤扰动带来的暂时现象，而非土壤肥力的健康标志。

该研究的重要意义在于，它为热带地区资源有限的小农户提供了一条切实可行的可持续发展路径。它证明，即使在不增加化肥和石灰投入的情况下，通过改变耕作制度和种植模式——即转向保护性农业——也能逐步扭转土壤养分耗竭的趋势，提升土壤自身维持肥力的能力。这不仅是提升农业韧性与生产力的关键，也对保障区域粮食安全和应对环境挑战具有深远影响。当然，研究也指出，若要完全释放土壤生产潜力，将保护性农业与基于土壤检测的、科学的养分投入（如石灰改良）相结合，将是未来的重要方向。这项来自巴拉圭的长期实证，为全球类似生态区的农业可持续发展提供了宝贵的科学依据和实践启示。