印度中央邦自然农业转型过程中土壤质量变化的实证研究：基于时序序列的多指标分析

《Environmental and Sustainability Indicators》：Soil quality changes along an agroecological transition: Evidence from natural farming in Madhya Pradesh, India

本研究针对常规农业对土壤质量的负面影响，通过分析印度中央邦不同自然农业转型阶段的农场土壤指标，发现完全建立的自然农场土壤碳库（总碳和活性碳）、氮含量、酶活性和微生物群落结构均显著改善，特别是活性碳（POXC）在转型初期即表现出高度敏感性，为农业生态转型提供了可操作的土壤质量评估依据。

　　

当前农业实践在追求高产的同时，对土壤健康造成了严重威胁。化学农药和肥料的过度使用、单一作物种植模式等常规农业管理方式，导致土壤退化、生物多样性丧失和碳库耗竭等问题日益突出。面对土壤肥力下降、大规模污染和水资源短缺等多重挑战，向可持续农业实践转型显得尤为迫切。然而，从常规农业系统转型面临经济风险、知识缺口和产量不确定性等障碍，使得农民对转型犹豫不决。在此背景下，农业生态学提供了一条可行的路径，它通过将生态原理融入农业系统，用生物投入和生态过程替代化学投入，从而改善土壤健康和社会生态结果。

印度推广的自然农业正是农业生态转型的重要实践形式，它根植于传统印度农业实践，最大限度地减少对农场外投入的需求，强调在不添加外源合成投入的情况下维持土壤和植物健康。然而，关于从常规农业向自然农业转型过程中土壤质量指标如何变化的实证证据仍然有限，特别是在印度背景下。为此，研究人员在印度中央邦Dewas地区开展了一项为期两年的研究，成果发表在《Environmental and Sustainability Indicators》上。

研究人员采用了时序序列的研究设计，选择了处于不同自然农业转型阶段的农场：常规农场（阶段1）、新转型无化学农药农场（阶段2）、新转型无化学农药和肥料农场（阶段4）、完全建立无化学农药农场（阶段3）和完全建立无化学农药和肥料农场（阶段5）。研究团队在两年内系统测量了土壤碳库（总碳和活性碳）、氮含量、酶活性、容重和微生物群落等多项指标。

研究的关键技术方法包括：土壤理化性质分析（总碳、总氮、活性碳/POXC、土壤有机质SOM、容重和磷酸酶活性测定）、微生物群落分析（通过16S rRNA和ITS扩增子测序研究细菌和真菌组成）以及多元统计分析（混合效应线性模型、主成分分析PCA和冗余分析RDA）。样本来源于印度中央邦Dewas地区的44个农场（第一年）和45个农场（第二年），覆盖三个采样集群。

3.1. 土壤质量指标

研究结果显示，所有土壤质量指标都对农业生态转型阶段产生了响应。第二年，所有测量的土壤质量指标都显示出从阶段1到阶段5的显著变化：土壤有机质、活性碳、容重、总土壤氮、总土壤碳和磷酸酶活性均显著改善。特别是活性碳在转型初期就表现出增加趋势，表明其对管理实践变化的高度敏感性。容重从阶段1的1.30±0.26 g cm^-3降至阶段5的1.07±0.29 g cm^-3，表明土壤结构得到改善。

3.2. 土壤质量指标的多元分析

主成分分析表明，不同转型阶段的土壤质量指标存在明显分离。第一主成分解释了40.13%的变异，并显示出阶段间的显著差异。阶段5（完全建立的生态农场）明显分布在PCA正方向，而阶段1（常规农场）则集中在负方向，表明从常规管理向自然农业管理的转变伴随着土壤质量的系统性改善。

3.3. 门水平微生物群落组成和模式

微生物丰度和组成在不同农业生态转型阶段间存在差异。真菌香农多样性在五个阶段间差异显著，而细菌多样性相对稳定。冗余分析显示，活性碳、酶活性、总碳、土壤有机质和总氮是解释细菌群落组成的关键变量，而活性碳、酶活性、土壤有机质和容重对真菌群落影响最大。Firmicutes门细菌与较高的碳含量和养分有效性密切相关，而Acidobacteriota和Chloroflexi门则与较早阶段或容重较高的环境相关。

研究表明，向自然农业实践的转型显著改善了土壤质量指标，特别是在完全建立的自然农场中。这些改善可归因于有机改良实践的加强，如生物投入物的添加和覆盖措施。活性碳作为总有机碳的活性组分，对管理引起的土壤碳变化表现出高度敏感性，是农业生态转型早期土壤生物健康改善的灵敏指标。

土壤微生物群落结构的转变进一步证实了管理实践对土壤功能的深远影响。与养分循环和有机质分解相关的微生物类群在转型后期阶段显著增加，反映了农业生态管理对地下生态过程的积极调控。

这项研究为理解农业生态转型过程中土壤质量的变化提供了重要见解，特别是揭示了不同转型路径对土壤指标的差异化影响。研究结果对促进可持续农业实践具有重要政策意义，为农民提供了转型过程中土壤健康改善的科学证据，有助于降低转型风险，增强转型信心。未来的研究应加强长期监测，结合更详细的农场管理记录，进一步阐明农业生态管理对土壤健康的因果机制和长期效应。