土壤健康与管理评估工具包（SOHMA KIT?）：专为农场应用开发与验证

《Environmental and Sustainability Indicators》：Soil Health and Management Assessment Kit (SOHMA KIT?): Development and validation for on-farm applications

土壤健康评估工具SOHMA KIT?通过物理（入渗、团聚体稳定性、VESS）、化学（pH）和生物（过氧化氢酶、宏fauna、生物团聚体）七个指标，验证其在田间快速检测土壤健康变化的可靠性，并与标准实验室方法相关性达0.44-0.88。在巴西热带草原试验中，该工具能有效识别覆盖作物系统对土壤结构、有机质和微生物活性的改善作用，但存在需专业培训、仅评估表层土壤等局限性。

　　土壤健康是农业可持续发展和长期土壤多功能性的基础，它不仅影响作物产量，还增强了作物对气候变化的适应能力。然而，土壤健康评估往往面临复杂性、成本高和耗时的问题，这成为农民采用相关技术的障碍。因此，我们提出了一种简化的、可在农场现场使用的土壤健康评估方法，该方法通过关键指标来有效检测不同土地管理系统的土壤健康变化。本研究旨在验证一种名为“土壤健康与管理评估套件（SOHMA KIT?）”的新工具，评估其在农场现场的可靠性，比较其与标准实验室方法的性能，并评估其在检测覆盖作物对土壤健康改善方面的能力。

为了验证这一假设，研究在巴西的两个长期田间试验中进行了测试。这些试验地点位于巴西的塞拉多生物群系，该地区以高度集约化和科技农业为特点。通过广泛查阅文献、选择和开发方法，SOHMA KIT?被创建出来。该套件整合了七个土壤健康指标，涵盖物理（渗透性、团聚体稳定性、土壤结构视觉评估-VESS）、化学（pH值）和生物（过氧化氢酶、宏观土壤生物、生物形成团聚体）方面。这些指标被整合成一个土壤健康指数（SHI），以评估土壤的整体健康状况。研究结果显示，与单一作物系统相比，多样化种植系统中SHI提高了约35%。同时，SOHMA KIT?与标准方法在关键指标上表现出显著的相关性，例如渗透性（r = 0.71）、团聚体稳定性（r = 0.40）和pH值（r = 0.88）。尽管该工具具有便携性和成本效益，但其也有一定的局限性，例如需要用户具备基本的培训以评估视觉指标，且目前仅评估表层土壤（0–10 cm）。然而，SOHMA KIT?因其用户友好性和可扩展性，被认为是一个有价值的工具，适用于农场决策、再生农业和大规模土壤健康监测。

土壤健康的概念与土壤作为生命生态系统持续执行其功能的能力密切相关，包括维持环境质量（空气和水）、促进人类健康以及支持作物生产力。此外，健康的土壤对于减少作物对生物和非生物胁迫的脆弱性至关重要，能够维持较高的作物产量并提供稳定的产量，即使在气候变化的背景下也是如此。因此，农业土壤的健康状况直接关系到应对全球重大挑战，如粮食安全和气候变化缓解与适应的成功。

由于土壤健康具有广泛而复杂的特点，没有直接的方法可以测量土壤健康。因此，其评估依赖于整合化学、物理和生物指标，以及它们之间的相互作用。这些指标能够提供关于土壤健康状况的全面信息，帮助监测随时间的变化并区分不同的管理实践。选择合适的土壤健康指标需要对动态土壤特性有深入的理解，这些特性可能因地区、地形位置或土地利用而异。目前大多数土壤健康指标评估方法是在实验室中进行的，但这种方法可能受到实验室分析成本和复杂性的限制，通常需要复杂的设备和危险的试剂。此外，获取结果所需的时间可能会延迟现场决策，限制其结果的实用性。

因此，简化、便宜、快速和环保的技术，如现场方法，对于管理计划的决策过程起着至关重要的作用。然而，目前仅有少数项目提供了直接在田间进行定量现场测试的可能性，例如土壤结构的视觉评估（VESS）、参与式土壤质量评估实用指南（PGPE）、土壤质量测试指南、土壤健康卡、Biofunctool?和Solvita Kit。例如，Biofunctool?在泰国橡胶种植园中检测到了土壤健康改善，而美国农业部（USDA）的土壤质量测试指南在巴西南部评估覆盖作物和耕作系统时与标准实验室分析表现出强烈的相关性。PGPE框架也被证明在不同耕作系统中对教学、研究和农民使用非常有价值。这些基于经验、定性和定量的方法要求很少（或没有）实验室设备，专注于即时的现场评估。这些项目可以促进农民与科学家之间的沟通，支持再生农业实践并补充国家项目。

在这一背景下，本研究提出了一个新的框架——SOHMA KIT?，用于基于一组可直接在田间测量的功能性指标评估土壤健康。因此，我们测试了假设，即通过关键指标组成的简化现场方法SOHMA KIT?能够有效检测由于土地利用和管理变化导致的土壤健康变化。SOHMA KIT?是在热带条件下开发和初步测试的，主要关注不同覆盖作物的农业系统。大规模覆盖作物为研究提供了相关模型，因为它们允许在不同土壤-气候背景下评估土壤健康的改善，包括有机质增加、养分循环和土壤结构的改善。本文将介绍使用SOHMA KIT?进行土壤健康评估的基本原理，并提供详细的实验步骤指南。此外，我们将SOHMA KIT?的土壤健康指数应用于一个案例研究，以验证其适用性、验证其与标准方法的相关性，并在两个长期实验站点中进行评估。

SOHMA KIT?是由巴西圣保罗大学“Luiz de Queiroz”农业学院（ESALQ/USP）的土壤健康与管理研究小组（SOHMA）开发的，其创新过程也得到了热带农业碳研究中心（CCARBON/USP）的支持。该评估协议已记录在专利申请号BR 10 2024 015629-3中。该方法的开发分为三个阶段。首先，进行了全球非系统性的文献回顾，以识别潜在的现场方法，用于包含在SOHMA KIT?中。其次，选择了符合巴西条件的方法，并进行了调整。第三，将所选方法与标准方法进行比较，以验证SOHMA KIT?并监测这些耕作区域的土壤健康状况。

SOHMA KIT?的七个指标包括三个物理指标（渗透性、团聚体稳定性、VESS）、一个化学指标（pH值）和三个生物指标（过氧化氢酶、宏观土壤生物、生物形成团聚体）。这些指标经过方法的适应和开发，以提高其在田间条件下的性能。例如，渗透性测试基于美国农业部（USDA）的建议，这符合评估标准。VESS方法被选为评估土壤结构的视觉方法，因为它在巴西和全球范围内被广泛使用，并且具有快速和成本效益的特点。对于团聚体稳定性，我们开发了一种基于USDA的定性浸泡测试的方法，这种方法有效地捕捉了管理实践对土壤结构的影响。该方法的开发是必要的，因为它是一个重要的土壤健康指标，但在当时还没有在田间评估团聚体稳定性的标准方法。

在巴西圣保罗大学校园（Piracicaba - S?o Paulo）的对比土壤质地和农业保护管理系统中，将所选的田间方法与标准方法进行了比较。该研究旨在验证SOHMA KIT?并监测这些耕作区域的土壤健康状况。该研究还涉及对实验数据的详细分析，以评估不同土壤健康指标在田间方法和标准方法中的表现。数据集通过方差分析（ANOVA）进行分析，以确保统计方法的适用性。当检测到显著差异时，应用Tukey的HSD测试来比较处理均值。所有统计分析均使用RStudio版本4.0.4进行。箱形图用于评估SOHMA KIT?指标的敏感性、数据变异性和与标准方法结果的相似性。此外，使用随机森林模型来确定哪些指标在决定整体SHI方面最为重要。

研究结果表明，SOHMA KIT?和标准方法在两个实验地点均能检测到土壤健康指标的显著变化。例如，在Rio Verde，所有物理指标均检测到显著的处理诱导变化，其中覆盖作物混合系统和玉米-鲁兹草系统表现出比休耕处理更高的SHI值。在Rondonópolis，虽然仅pH值和生物形成团聚体显示出管理相关的弱和强证据，但SOHMA KIT?在评估覆盖作物混合处理时表现出更高的敏感性。这些结果表明，SOHMA KIT?能够有效检测管理变化对土壤健康的影响。

在讨论部分，我们分析了SOHMA KIT?的优缺点。该工具的一个主要优势是其便携性和成本效益，使其成为农民和土地管理者在不同地区的实用工具。然而，其也有一定的局限性，例如需要基本的用户培训以减少对视觉指标的主观性。此外，该工具目前仅评估表层土壤（0–10 cm），而未考虑深层土壤层，这可能影响其对关键过程（如水分保持、根系穿透、碳固存和长期养分循环）的评估。因此，未来的研究可以考虑引入如Sub-VESS等方法，以扩展评估至更深的土壤层。

SOHMA KIT?的另一个限制是其依赖于现场评估，这可能限制了包括实验室指标在内的更精确的分析。此外，结果的准确性取决于最佳采样条件，这可能因地点和评估时间而异。为了克服这些限制，建议农民利用常规收集的土壤肥力数据，以补充评估。SOHMA KIT?的评估过程包括从0–10 cm深度进行测量，而VESS评估则覆盖0–25 cm的深度。尽管这与许多现场土壤质量评估方法相一致，但未考虑更深的土壤层，这可能影响其在某些农业和保护情境下的适用性。

总体而言，SOHMA KIT?在实用性、用户友好性和敏感性方面优于标准方法，特别是在物理和生物指标的评估上。通过减少对复杂和昂贵实验室设备的需求，SOHMA KIT?提供了高效的土壤健康评估工具。然而，对于某些指标，如团聚体稳定性、pH值和过氧化氢酶，其敏感性可能受到简化现场协议的影响。因此，进一步的研究和改进可以增强其在不同土壤类型、气候条件和耕作系统中的适用性。

研究结果表明，SOHMA KIT?能够有效检测土壤健康的变化，特别是在物理和生物指标方面。它提供了一个成本效益高且实用的工具，适用于农民和土地管理者，以促进可持续农业实践。尽管存在一些局限性，如对深层土壤层的评估不足和对视觉指标的主观性，但SOHMA KIT?的开发为农业领域的土壤健康评估提供了一种新的方法。未来的研究将致力于通过用户反馈来改进该工具，并扩大其在不同土壤类型、气候条件和耕作系统中的适用性。此外，开发SOHMA KIT?应用程序将是长期目标之一，以确保该工具能够适应和监测不同地区的土壤健康状况。