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在埃塞俄比亚，因木炭市场需求，大量农田转为黑荆树（Acacia mearnsii）短轮伐期林业（SRF）。为探究其可持续性，研究人员对比黑荆树种植与画眉草（Eragrostis tef）栽培的养分平衡，发现黑荆树种植导致土壤养分失衡，强调需改进养分管理。
在埃塞俄比亚，随着人口的快速增长，对生物质燃料的需求也在急剧增加。从 1990 年到现在，埃塞俄比亚的薪柴消耗量翻了一倍多，森林覆盖率却下降了超过 10%。城市化进程的加快，使得城市对木炭的需求日益旺盛，因为与薪柴相比，木炭具有更高的能量密度、更优的烹饪环境以及更便捷的运输条件。在这种背景下，埃塞俄比亚的部分地区出现了大规模的土地利用变化，大量原本种植传统粮食作物的农田被改种为黑荆树（
Acacia mearnsii），用于生产木炭。
农民选择种植黑荆树，主要是因为其经济效益显著，种植黑荆树带来的年收入比种植传统主食作物画眉草（Eragrostis tef）高出一倍以上。然而，这种土地利用的转变也带来了一系列问题。当地土壤本身呈酸性且肥力较差，而黑荆树种植过程中的收获方式，通常是移除大量的地上生物量以及树桩和较大的根系，这可能会对土壤的长期肥力和可持续性造成严重影响。例如，可能会加剧土壤酸化，导致植物养分储备的枯竭。此前的研究虽然对类似的农林复合系统有所探讨，但大多聚焦于生物质生产和氮输入，缺乏对其他养分的全面预算分析。为了解决这些问题，来自多个研究机构的研究人员开展了一项关于土地利用变化对土壤养分平衡影响的研究，该研究成果发表在《Forest Ecology and Management》上。
研究人员采用了空间换时间的替代方法，同时对比了不同土地利用历史的农田。他们选取了埃塞俄比亚西北部高地法吉塔莱科马区的阿梅沙流域作为研究区域，这里属于湿润亚热带气候，主要土壤类型为淋溶土，肥力较低且酸性较强。研究涉及的土地利用类型包括种植画眉草的农田（作为基线条件）、黑荆树种植的第一、二、三轮作农田，以及曾经种植黑荆树但后来又改回种植画眉草的农田。
在研究过程中，研究人员进行了土壤和生物质采样。土壤采样时，在每个选定的农田中建立 10m×10m 的采样地块，从地块的四个角和中心采集土壤样本，分 0 - 15cm 和 15 - 30cm 两个深度间隔进行。对于生物质采样，选择树龄为五到六年的黑荆树种植园，测量树木的高度、胸径等参数，并对代表性树木进行破坏性采样，分离其各个组成部分进行分析。同时，还采集了一种非固氮植物巴豆（Croton macrostachyus）作为参考样本，用于计算黑荆树的固氮量。在实验室分析方面，对土壤和生物质样本进行了一系列处理，包括风干、研磨、筛分等，然后使用多种仪器和方法测定样本中的养分浓度、总氮含量以及稳定氮同位素比值等。
研究结果如下：
- 干物质产量：树龄五到六年的黑荆树平均总干物质生物量产量为 151Mg ha-1，其中木质茎占总干物质质量的 62%。
- 生物量中的养分储备：黑荆树的叶子和嫩枝虽然仅占总生物量的 7%，但却占生物量中氮、磷、钾和硫储备的 35%、28%、21% 和 35% 左右。与画眉草相比，黑荆树的年平均氮吸收量是画眉草的五倍，碱基阳离子吸收量是其三倍。
- 氮固定：黑荆树每年固定的氮量为 175kg N ha-1 y-1，但尽管如此，土壤中的总氮并没有出现净积累。随着树龄的增加，黑荆树固定氮的比例逐渐下降，从三年树龄时的 94% 降至六年树龄时的 78%。
- 土壤中的总氮和可提取养分储备：与种植画眉草的农田相比，黑荆树第二轮和第三轮种植的土壤中，磷储备在 0 - 15cm 层显著降低；硫储备在 0 - 15cm 层也明显降低；总氮在第二轮和第三轮种植时，0 - 15cm 深度的储备显著低于第一轮种植，但与农田相比差异不显著。
- 养分预算：对比分析表明，黑荆树和画眉草的种植都会导致土壤氮的净损失。黑荆树种植会消耗土壤中的磷和硫，而画眉草种植由于施肥，磷和硫的预算保持平衡。此外，黑荆树种植导致的碱基阳离子（如钾、钙和镁）的输出比画眉草种植高得多。
研究结论和讨论部分指出，黑荆树的平均干物质积累低于先前研究，可能是由于管理方式、土壤类型以及锈病等因素的影响。树叶在养分循环中起着关键作用，但在木炭生产过程中，树叶常被移除，不利于养分的回收。虽然黑荆树能够固定大量的氮，但由于收获强度大以及土壤有机质矿化等原因，土壤中的总氮并未积累。同时，黑荆树种植导致的磷、硫和碱基阳离子的消耗，可能会对土壤肥力和植物生长产生长期影响。例如，磷的缺乏可能限制植物的生长，碱基阳离子的大量移除会增加土壤酸化的风险。
该研究的重要意义在于，明确了埃塞俄比亚土地利用变化下黑荆树种植对土壤养分平衡的影响，强调了改进养分管理实践的必要性。例如，采用更合理的收获方式，尽可能保留树叶和树皮，将木炭生产产生的灰烬均匀分布在田间等，都有助于减少养分的流失。此外，研究还指出，适当的磷和硫施肥可以缓解未来生产的限制，提高植物生长和生物质产量，增强土壤有机质中的碳储存。这些发现为当地的农业可持续发展提供了重要的理论依据和实践指导，有助于制定更科学合理的土地利用和养分管理策略，以保障土壤的长期肥力和生态系统的可持续性。
