北卡罗来纳州草地和林地下土壤健康特性的累积频率分布

《Soil Science Society of America Journal》：Cumulative frequency distributions of soil health properties under grasslands and woodlands across North Carolina

本研究对北卡罗来纳州309块草地和29块林地土壤健康指标进行分析，发现基于沙粒含量的土壤质地分类（细、中、粗）能有效区分大部分指标，草地综合土壤健康评分显著高于林地（p<0.001）。验证了区域数据库在评估不同质地土壤健康中的有效性。

　　土壤健康是农业可持续发展和生态平衡的重要指标，它不仅影响作物产量，还对土壤肥力、水土保持、碳固存和生物多样性等生态系统服务具有深远影响。土壤健康状况受到多种因素的共同作用，包括自然条件（如气候、土壤质地）和人为管理（如土地利用类型、耕作方式）等。因此，建立一个全面且具有代表性的土壤健康数据库对于指导农业实践和生态管理至关重要。本文研究了北卡罗来纳州309个草地和29个农林复合系统（农场林地）的土壤性质，以评估不同土壤质地和土地利用类型对土壤健康指标的影响，并验证先前在该地区及弗吉尼亚州进行的土壤健康研究结果的适用性。

研究发现，通过将土壤质地仅按砂含量（以kg kg?1为单位）分为细粒（<0.2）、中粒（0.2–0.5）和粗粒（>0.5）三类，可以有效区分大多数土壤健康指标的数值范围，尤其是中粒和粗粒土壤之间的差异。这种分类方法在一定程度上反映了土壤质地对土壤健康指标的调控作用，使得研究者能够根据土壤类型对土壤健康进行更准确的评估。例如，在细粒土壤中，总有机碳（TOC）和非颗粒有机碳（NPOC）的含量通常较低，而颗粒有机碳（POC）和颗粒有机氮（PON）则相对较高。这些发现支持了将土壤质地作为评估土壤健康的重要分类依据的观点。

草地和林地在土壤健康指标上的表现存在显著差异。总体来看，草地土壤在大多数化学、物理、生物和生物地球化学性质上优于林地。例如，草地土壤的pH值、可提取磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、锌（Zn）和铜（Cu）含量普遍较高，而草地土壤的基质呼吸（BSR）和总有机碳、颗粒有机碳以及非颗粒有机碳含量则相对较低。这些结果表明，草地在土壤肥力和碳固存方面具有一定的优势，但其生物活性可能受到其他因素的限制。值得注意的是，草地土壤的有机碳和氮的矿物化率通常较高，这可能与草地土壤的微生物活性和有机质分解速率有关。而林地土壤则表现出更高的土壤稳定性指数和更广泛的有机碳和氮分布范围，这可能与林地土壤中较高的有机质积累和更稳定的结构有关。

研究还发现，草地和林地之间的土壤健康得分存在显著差异。草地土壤的综合健康得分显著高于林地土壤，其中细粒土壤的健康得分（0.55）和中粒土壤的健康得分（0.52）均显著高于林地土壤（0.37和0.40）。而粗粒土壤的健康得分（0.56）也显著高于林地土壤（0.34）。这些得分差异反映了草地和林地在土壤健康方面的不同表现，可能是由于草地的管理方式（如放牧、割草）和林地的自然演替过程导致的。例如，草地中较高的有机质输入可能促进了土壤肥力的提升，而林地土壤中较高的有机质稳定性和较低的矿物化率则可能表明其在维持土壤结构和减少养分流失方面具有优势。

在草地和林地之间，土壤质地的分类对于土壤健康指标的分离具有重要作用。细粒土壤的健康指标表现出相对较低的总体值，而粗粒土壤则表现出更高的某些指标。这种差异可能与土壤质地对土壤物理和化学性质的调控有关。例如，粗粒土壤通常具有较高的孔隙度和较低的密度，这可能有助于提高土壤的通气性和水分渗透性，从而促进植物生长和土壤微生物活动。然而，这种较高的通透性也可能导致土壤中养分的流失，特别是磷和氮等易溶性营养元素。相比之下，中粒土壤在多个指标上表现出更平衡的特性，可能更适合综合评估土壤健康状况。

在北卡罗来纳州的私人农场中，草地和林地的土壤性质与之前在研究站和弗吉尼亚州私人农田中观察到的结果相似，这表明该地区的土壤健康状况具有一定的普遍性。然而，某些指标如可提取磷、锌和铜在北卡罗来纳州的私人草地中显著高于之前的研究，这可能与动物粪便的频繁施用有关。动物粪便中含有丰富的有机质和矿质养分，能够显著提高土壤的养分含量和肥力水平。因此，草地管理方式可能在提高土壤养分含量方面具有独特优势。

研究还发现，草地土壤在某些生物地球化学指标上表现优于林地土壤，如总有机碳、颗粒有机碳和氮的含量较高，而基质呼吸和土壤稳定性指数较低。这些结果可能与草地土壤中较高的有机质输入和分解速率有关。然而，草地土壤中的氮矿物化和硝化作用也较为活跃，这可能对氮素的流失产生一定影响。相比之下，林地土壤中的氮素循环更为缓慢，这可能有助于减少氮素的损失，提高氮素的利用效率。

土壤健康评分的计算基于各土壤性质的中位数，并结合土壤质地分类进行综合评估。研究结果表明，草地土壤在所有土壤质地类别中的健康评分均高于林地土壤，这可能反映了草地在土壤肥力和生态功能方面的综合优势。然而，某些指标如基质呼吸和总有机碳在草地土壤中表现较低，这可能与草地土壤中较高的有机质分解速率有关。总体来看，草地土壤在多数指标上表现出更高的健康评分，这为农业管理和生态保护提供了重要的参考依据。

研究还指出，土壤健康指标的分布和变化需要结合具体的土壤类型和环境条件进行分析。例如，土壤质地对土壤健康指标的影响在不同地区可能存在差异，因此需要建立区域性的土壤健康数据库，以便更准确地评估土壤健康状况。此外，研究还强调了土壤健康指标与生态系统功能之间的关系，例如植物生产力、侵蚀控制、温室气体减排和水体保护等。这些指标的优化不仅有助于提高农业产量，还能增强生态系统的稳定性。

为了进一步提升土壤健康评估的科学性和实用性，研究建议采用标准化的土壤健康测定方法，并结合不同土地利用类型和土壤质地的样本进行综合分析。同时，建立更加全面的土壤健康数据库，包括更多样化的土壤类型和管理方式，将有助于更精确地定义土壤健康阈值和目标，从而指导农业实践和生态管理。此外，未来的研究应重点关注土壤健康指标的功能性限制和地理适用范围，以便在更广泛的区域内推广土壤健康评估方法。

总之，本文的研究结果为评估土壤健康提供了重要的科学依据。通过将土壤质地作为分类标准，可以更有效地分离土壤健康指标的数值范围，从而为不同土地利用类型下的土壤管理提供指导。草地和林地在土壤健康指标上的差异反映了它们在生态系统服务和农业生产力方面的不同表现，而土壤质地对这些差异的影响则进一步揭示了土壤物理和化学性质在土壤健康评估中的关键作用。这些发现不仅有助于理解土壤健康与土地利用之间的关系，还为未来的土壤健康管理和生态保护提供了新的思路和方法。