巴西东北部塞拉多地区农业用地利用后，土壤中易分解的无机磷含量及肥力随时间的变化

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Changes in soil labile inorganic phosphorus and fertility over time after agricultural land-use in the Cerrado of Northeastern Brazil

土壤化学属性与无机磷分异随农业利用年限变化研究——基于巴西Cerrado地区 chronosequence分析，发现长期耕作显著提高pH和碱基饱和度，尤其是17年耕作区Al结合态磷（P-Al）达365±16 mg/kg，呈现磷固定与积累并存的动态特征。

　　本研究聚焦于巴西塞拉多地区农业用地变化对土壤化学性质及无机磷形态的影响。塞拉多是南美洲最大的热带草原生态系统之一，其土壤以高度风化的Oxisols为主，具有独特的化学和物理特性。在这样的土壤背景下，磷的可用性受到多种因素的限制，包括土壤矿物对磷的强烈吸附作用以及磷在土壤中的快速固定。因此，农业活动对磷的循环和供应具有深远影响，特别是在长期耕作条件下。

研究选取了六个不同土地利用年限的农业区域，构成一个时间序列（1至20年），其中包含一个参考点——退化牧场。通过对土壤样品进行分析，研究探讨了农业转换和不同土地利用年限如何影响土壤化学属性和无机磷形态。土壤采样深度为0.0至0.20米，涵盖了作物根系活动的主要区域。所选区域均位于巴西皮奥伊州的乌鲁西市，属于MatoPIBA农业前沿的一部分，这一地区近年来经历了大规模的自然植被向机械化种植系统的转变，尤其是大豆种植。

研究发现，随着农业使用年限的增加，土壤pH值和碱度显著上升，这可能与石灰和肥料的施用有关。在长期（17年）农业利用下，土壤中的可溶性磷（P-Al）含量增加至365 ± 16 mg kg?1，而中等可溶性和不可溶性磷形态则保持稳定或略有上升。这一结果表明，农业活动通过促进残余磷的积累以及其向不易利用形态的转化，改变了磷的可利用性。尽管不同区域的管理历史差异可能限制了广泛结论的得出，但研究仍提供了关于热带系统中磷动态的重要证据，并强调了长期农业土壤中磷形态监测的重要性。

在热带生态系统中，磷的动态变化尤为显著。这是因为天然的高风化土壤具有极高的磷固定能力，而磷的低溶解性和高反应性使其难以维持长期的作物营养供应。特别是在巴西塞拉多的Oxisols土壤中，磷容易被铁（Fe）和铝（Al）氧化物吸附，从而限制了其在土壤中的移动性和生物可利用性。这种吸附作用导致磷肥的使用效率较低，进而促使农民增加磷肥的施用量。然而，过量施用的磷往往以不可溶性形式积累，虽然在常规检测中不易察觉，但在特定的土壤和作物条件下仍可被利用。因此，理解磷在不同形态下的分布和转化对于制定可持续的磷肥管理策略至关重要。

研究采用了时间序列方法，评估了不同土地利用年限下土壤肥力的变化。时间序列方法为研究农业活动的累积效应提供了一个有效的途径，特别是对于评估土壤肥力变化和磷形态的演化过程。然而，这种研究方法在皮奥伊州的塞拉多地区仍较为少见，尤其是在与中央巴西等更受关注的区域相比时，该地区的环境条件、土壤类型和管理实践可能存在显著差异。

在土壤采样方面，研究在每个区域中收集了36个地理定位的复合样本，样本间距为15米，覆盖面积约为1公顷。每个复合样本由五个子样本组成，按十字形排列，包括北、南、东、西和中心位置。采样工作在收获后进行，以确保土壤处于休耕状态，避免作物根系对结果的影响。采样深度的选择反映了大多数作物的根系活动区域，并符合热带农业系统中土壤监测的常规方法。

在实验室分析中，研究对土壤中的主要氧化物进行了定量分析，并利用X射线荧光和磁化率方法评估了土壤的风化程度和矿物稳定性。同时，通过逐步提取法分析了无机磷的形态。该方法通过使用不同化学强度的提取剂，逐步分离出不同的磷形态。初步洗涤步骤用于去除可交换的钙（Ca2?）和铝（Al3?），以减少对后续提取的干扰。磷的各形态分别使用不同的提取剂进行分离，如氟化铵用于铝结合磷（P-Al），氢氧化钠用于铁结合磷（P-Fe），硫酸用于钙结合磷（P-Ca）。所有分析均在重复三次的情况下进行，以确保数据的准确性。

研究还采用了统计分析方法，包括方差分析和多元分析（主成分分析和聚类分析）。方差分析用于评估不同土地利用年限对土壤化学属性的影响，而多元分析则用于比较土壤肥力属性的结构和相似性。主成分分析结果表明，前两个主成分解释了总变异的87.4%，所有属性（除Fe2?、Al3?和m外）均与主成分1呈正相关。这些属性包括总有机碳（TOC）、K?、Ca2?、Mg2?、碱度（BS）、阳离子交换容量（CEC）和Fe2?，均与主成分2呈正相关。聚类分析将不同土地利用年限划分为四个不同的集群，其中前三个集群分别对应于天然植被（NV）、第一年（Y1）和第十七年（Y17）的农业系统，而第四个集群则包括了第七年（Y7）和第十二年（Y12）的系统，表明这两个阶段的土壤肥力特征相似。

研究结果表明，农业使用年限显著影响土壤肥力属性。在农业转换后的第一年（Y1），土壤的pH值和碱度已经有所提升，而铝饱和度（m）则明显下降。这些变化主要归因于石灰的应用，这是一种常见的土壤酸度校正措施，能够有效提升土壤的碱度和交换性基质的可用性。然而，尽管石灰的应用有助于提高pH值，但土壤中的可溶性磷（P-Al）和铁结合磷（P-Fe）并未减少，反而在长期农业利用下有所增加。这表明，虽然石灰的施用有助于改善土壤的化学性质，但磷的动态变化更多受到肥料施用的影响。

在土壤肥力属性方面，研究发现不同土地利用年限对土壤中交换性阳离子（如Ca2?、Mg2?和Al3?）以及碱度（BS）和阳离子交换容量（CEC）的影响显著。特别是，第七年（Y7）和第十七年（Y17）的农业系统显示出更高的碱度和阳离子交换容量，这可能与长期的肥料施用和石灰校正有关。然而，尽管这些措施能够改善土壤的化学属性，但土壤中的总有机碳（TOC）在所有系统中保持稳定，表明在热带条件下，通过作物轮作或继替（如大豆、玉米、豆科植物、高粱等）可以有效维持土壤有机碳水平。

研究还指出，尽管在塞拉多的高气温和不规则降雨条件下，非季节性覆盖作物的生物量生产受到一定限制，但进一步探索能够维持秸秆产量和改善总有机碳的覆盖作物种类仍是实现长期可持续性的关键。此外，避免频繁的土壤扰动，如年度耕作，对于减少有机碳的矿化和促进其积累至关重要。研究还发现，虽然在第七年（Y7）和第十二年（Y12）的农业系统中，土壤中的铁结合磷（P-Fe）和铝结合磷（P-Al）有所增加，但这些变化并未显著影响土壤中的可溶性磷（P-Al）和铁结合磷（P-Fe）的可用性。

研究还发现，尽管pH值的增加可能增强了磷在铁和铝氧化物上的吸附，但研究结果表明，磷的动态变化更多受到肥料施用的影响。这可能是因为在长期农业利用下，土壤中的磷主要以不可溶性形式积累，而这些不可溶性形式在特定的土壤和作物条件下仍可被利用。因此，提高土壤有机碳水平，以促进磷的循环和释放，可能是减少磷固定的一种有效策略。

研究进一步指出，尽管石灰的应用能够提高土壤pH值和碱度，但并未直接减少磷的固定。这可能是因为在长期农业利用下，土壤中的铁和铝氧化物仍然主导着磷的固定。此外，研究还发现，尽管存在过量石灰的施用，但并未观察到铁（Fe2?）或其他微量元素的减少，这表明石灰的施用量并未达到过量的程度。

研究还发现，不同土地利用年限的土壤在多个属性上表现出显著差异，尤其是在农业转换后的第一年（Y1）与天然植被（NV）之间。这种差异主要归因于石灰的应用，而随着时间的推移，土壤肥力的持续变化则由土壤肥力的逐步积累和结构变化所驱动。因此，研究建议在长期农业系统中采用保护性管理措施，以提高土壤有机碳水平。这些措施不仅有助于维持土壤肥力，还能调节磷的动态变化，这是土壤安全化学维度的重要组成部分。

通过提高土壤有机碳水平，可以促进营养物质的循环，减少磷在铁和铝氧化物上的吸附，并逐渐提高可溶性磷的可用性，从而增强土壤在长期作物生产中的能力。因此，研究强调了在农业前沿地区，理解和管理这些化学变化对于确保土壤安全和可持续性的重要性。此外，研究还指出，未来的研究应整合土壤物理和生物健康指标，以提供更全面的视角，了解这些管理措施如何影响整体土壤安全。