将森林转化为农田会导致土壤健康状况下降，而覆膜并不能缓解这一现象

《Canadian Journal of Soil Science》：Conversion from forest to agriculture leads to soil health decline, which is not mitigated by mulching

森林开垦对土壤健康的影响及木屑覆盖效果研究——以加拿大Rainy River地区为例，通过对比森林、近10年传统清理和近10年木屑覆盖三种处理方式下13项土壤响应变量及健康评分，发现传统清理显著降低土壤有机碳、水分和团粒稳定性（健康评分从86降至78），而木屑覆盖未产生显著差异，可能与分解速率及测量深度限制有关。气候变化推动农业扩张，优化土壤管理措施对维持土地生产力至关重要。

　　气候变化正在推动全球气候带向北移动，这为农业扩展提供了新的机会。随着气候的变化，预计到2099年，气候带将向北移动约400至600公里，这意味着大约76%的针叶林地区可能变得适合农业种植，基于积温条件。在大多数针叶林地区，土地需要被清理后才能用于生产，例如种植或放牧。这一清理过程通常涉及移除可商用的树木，以及残余的木质生物质，并准备土壤以供种植或放牧使用。

在北美地区，传统的土地转化实践通常包括使用重型机械移除可商用的树木、残余的木质生物质和部分表层土壤。这种做法改变了土壤的热环境，促进了有机质的分解。同时，土地转化还移除了木质残余物，这些残余物本可以进入土壤有机质池，而与表层土壤的流失一起导致了土壤有机质和碳储量的减少。此外，传统转化还对土壤健康评分产生负面影响。

为了减少传统转化带来的负面效应，一些农民在土地转化过程中采用将残余木质生物质混入土壤的方法。这种方法相比移除或焚烧木质残余物，可能有助于保持土壤的健康。在亚马逊地区，将木材粉碎并混入土壤作为替代焚烧的方法已被证明对土壤有机碳具有正面影响或无明显影响，但这些正面影响往往持续时间较短（少于2年）。在温带气候中，将木质碎屑作为农业改良剂混入土壤已被证明可以增加土壤有机碳含量并改善土壤的物理性质。然而，在温带和北方土壤中，将木质残余物混入土壤进行土地转化对土壤性质和土壤健康的影响尚未被系统研究。

本研究旨在评估将木质生物质混入土壤是否能改善土壤健康。研究共评估了13个土壤响应变量，并计算了土壤健康评分。土壤样本来自九个参考森林、九个在过去10年内采用混入法转化的农田、九个在过去10年内采用传统方法转化的农田，以及九个已经投入农业生产超过50年的农田（传统转化）。研究假设森林土壤的健康评分最高，而转化后的土壤评分会下降，且在混入木质生物质的情况下，土壤健康评分和响应变量的变化会更小。

研究区域位于加拿大安大略省的Rainy River地区，该地区的年均气温为4摄氏度，年均降水量为577.9毫米。研究通过向当地农民发送电子邮件邀请他们参与研究，以更好地了解农业扩展的土地转化方法。所有农田均由谷物和油料作物生产者拥有，并且均采用排水系统。作物轮作包括大麦、油菜、大豆和玉米。农业公司管理所有农田，并且肥料和耕作实践在农业处理中保持一致。研究区域的地形平坦，所有采集的土壤均被归类为Gleysols。

为了评估土地转化对土壤响应变量的影响，研究采集了每个站点至少20个土壤核心样本，深度为15厘米的矿物土壤。样本在实验室中进行处理，包括测定土壤水分含量、土壤有机碳含量和土壤团聚体稳定性等指标。研究还使用了土壤有机碳、土壤碳矿化潜力和团聚体稳定性作为土壤健康评分的依据。其中，一个森林样本在五个指标中出现了极端值，这些数据被重复测量以确保准确性，并通过95%的winsorization方法处理，即将极端值替换为该指标在数据集中的最大值。

研究使用了土壤质地数据对土壤健康评分进行分类，将数据分为不同的质地类别。每个质地类别的平均值和标准差通过北美的土壤健康测量项目数据集计算，以确保土壤健康评分的准确性。土壤健康评分的计算基于这些指标的平均值，并且每个指标的权重是相等的，类似于综合评估土壤健康（CASH）框架。研究未采用多维缩放方法来分配权重，因为数据集较小，且需要一个最小的指标集合。

研究通过分析土壤健康指标的空间自相关性来评估土壤健康的变化。使用R语言中的spdep包，通过moran.test()函数进行Moran's I测试，以检测土壤健康指标和评分的空间自相关性。研究还通过统计分析，如方差分析（ANOVA）和协方差分析（ANCOVA），来评估土地转化对土壤响应变量的影响。研究发现，土壤水分、土壤碳、碳氮比、团聚体稳定性和水保持能力等指标在森林土壤中显著高于农业土壤，而土壤pH、总氮浓度、有机质、活性碳、潜在碳矿化潜力和潜在氮矿化潜力等指标在土地转化后没有显著变化。

研究还探讨了土地转化对土壤响应变量的影响。其中，土壤团聚体稳定性和土壤碳浓度在农业土壤中显著低于森林土壤，而碳氮比的范围也较窄。这些结果与土壤结构因耕作或机械扰动而被破坏，导致土壤有机质暴露于分解过程中的发现一致。土壤碳的减少可能解释了农业土壤中水分保持能力和土壤水分含量的下降，因为有机质能够保持水分。然而，这些变量的减少并未随时间推移而进一步加剧，这与土壤碳浓度和碳氮比的范围缩小一致，表明有机质的净损失。

研究发现，混入法和传统法在土地转化过程中对任何响应变量都没有显著影响。研究缺乏对每个站点中混入的木质残余物或移除的木质残余物量的估计，但一般北方森林的数据显示，多达20%的总森林生物量是木质残余物，这代表了大量碳输入到土壤中。然而，由于土地转化和随后的耕作改变了物理化学环境，木质材料可能迅速分解。

森林树冠的移除改变了土壤的温度和水分条件，通常导致土壤变暖和变湿，这与土地转化的初始阶段相似。在农业系统中，高水分可能限制生产，因此安装排水系统以排除多余的水分，优化春季播种和作物生长的条件。排水系统提高了微生物对有机碳的分解速率，特别是在Gleysols中。混入的木材直接与分解者接触，可能比留在地表的木材更快分解。此外，施加矿物肥料可以优化作物产量，但可能也促进木材的分解，特别是当氮等营养物质限制微生物的生长和活动时。

在亚马逊地区，Perrin等人（2014年）和Fujisaki等人（2015年）研究了“粉碎并混入”作为替代“粉碎并焚烧”的方法对土壤有机碳的影响。Fujisaki等人（2015年）报告说，当木材在矿物土壤中被埋藏时，木质残余物的半衰期为17.6个月。Perrin等人（2014年）报告说，土壤碳在第一年增加，但随后迅速下降。这些研究表明，木材混入土壤可以迅速分解，但这些研究是在热带环境中进行的，如果水分不成为限制因素，高分解速率可以全年持续。

在瑞士的一项研究中，Fontana等人（2023年）添加了木质碎屑到农业土壤中，并跟踪了土壤性质的变化。他们在研究中报告说，土壤有机碳含量、水分保持能力和整体土壤质量有所提高。尽管研究地点的气候更接近瑞士而不是亚马逊，但本研究中混入的木材是经过粉碎的，这可能影响木材的尺寸和分解的表面积。此外，Fontana等人（2023年）是在一个田间试验地点（20×6米的地块）进行研究，这可能增加了检测变化的可能性。

研究还探讨了土地转化对土壤健康的影响。土地转化后，土壤健康评分下降，这与Benalcazar等人（2022年）的研究结果一致，他们在研究中发现，土壤健康评分在转化后迅速下降（即在10年内）。本研究中的评分与Benalcazar等人（2022年）的评分接近：森林地点在两个研究中的评分均为86，而转化后的地点评分在78至80之间（与Benalcazar等人（2022年）的79相近）。这种一致性是积极的，因为Benalcazar等人（2022年）使用了17个响应变量的CASH框架，而本研究使用了Bagnall等人（2023年）建议的三个指标来评估土壤健康。Bagnall等人（2023年）对指标进行了严谨的分析，基于北美多个长期农业研究地点收集的数千个样本。本研究中测量的大多数指标也被Bagnall等人（2023年）用于最小指标集合的评估。

尽管研究假设混入法转化的土壤健康评分会高于传统法转化的土壤，但这一假设并未得到验证。未来的研究可以探讨实际混入的木材量，以及在该地区混入的木材分解速率和控制因素，或者测量更深的土壤层以捕捉任何转移的有机质。

综上所述，土地转化后土壤健康评分在10年内下降，这表明森林向农业的转化显著降低了土壤水分、土壤碳浓度和团聚体稳定性。这些变量的减少可以归因于树冠的移除、排水和耕作活动，这些活动改变了土壤的温度和水分条件，创造了促进土壤有机质/碳分解的环境。然而，混入法和传统法对任何响应变量都没有显著影响，这可能是因为木质残余物迅速循环通过土壤，或者部分木质残余物尚未被分解到土壤有机碳/质池中，或者这些材料可能位于本研究中测量的15厘米以下的土壤层。