半干旱气候条件下两种耕作系统的土壤物理化学性质及土壤肥力指标

《Environmental Advances》：Soil physicochemical properties and soil fertility indicators of two cropping systems under semiarid climate conditions

长期燕麦和大豆耕作系统对半干旱地区土壤理化性质及肥力的影响研究，通过春季和秋季土壤采样分析温度、容重、含水量、pH、电导率、碳酸钙、有机碳及总磷等指标。结果显示，大豆系统因持续覆盖和固氮能力显著提升有机碳（SOC）和总磷（TP）储量，燕麦在温度和容重上差异显著。土壤肥力参数如C:P比值、有机碳储量（SOCS）和总磷储量（TPS）受耕作系统和季节互作的共同影响，其中大豆在温暖季节表现更优。研究证实豆科作物在改善土壤碳氮循环、维持养分平衡方面具有优势，为半干旱区可持续农业管理提供依据。

　　本研究探讨了在半干旱地中海气候条件下，长期种植大麦（*Hordeum vulgare*）和苜蓿（*Medicago sativa*）对关键土壤物理化学和肥力参数的影响。通过在春季和秋季采集土壤样本，并对温度、容重、含水量、pH值、电导率、碳酸钙含量、土壤有机碳（SOC）和总磷（TP）等指标进行分析，研究进一步评估了土壤肥力，包括碳磷比（C:P）、有机碳储量（SOCS）和总磷储量（TPS）。研究结果表明，作物类型和季节对土壤特性具有显著影响。种植超过十年的苜蓿显著提高了SOC、SOCS和TPS，这可能是由于其持续覆盖和固氮能力。作物类型对土壤温度和容重有显著影响（*p* < 0.001），而季节效应则主要体现在含水量、电导率和pH值上。灌溉实践在两个试验点保持一致，也对土壤水分动态有所贡献。本研究强调，多年生豆科植物覆盖，如苜蓿，可以改善土壤质量，提高有机碳和养分储量。这些发现为半干旱地区可持续土地管理和以保护为导向的农业提供了重要见解。

土壤质量被定义为土壤维持植物和动物生产力、保持环境稳定和生态系统功能的能力。这种多维特性使得理解不同植被类型对土壤属性的影响成为可持续土地利用和管理决策的重要组成部分。植被覆盖，包括豆科植物和草类，对土壤的物理、化学和生物特性有深远的影响。这些变化可以作为土壤质量的指标，通常通过pH值、结构稳定性、有机质含量和养分可用性等参数间接评估。研究指出，豆科植物如苜蓿在某些地区比大麦更受青睐，因其对土壤肥力和侵蚀控制的贡献。然而，长期种植苜蓿需要谨慎管理水和养分，以避免对土壤产生不利影响。其他研究也表明，覆盖作物可以提高酶活性、增强真菌群落和改善土壤动物活动，如蚯蚓的活跃度。

在应对全球挑战，如气候变化、土地退化和粮食安全的背景下，开发创新且因地制宜的土壤管理方案变得尤为迫切。特别是在像北非这样的干旱地区，关于SOC动态和管理生态系统中肥力趋势的数据仍然有限。本研究旨在通过量化SOC、TP及其相关肥力指标，来填补这一知识空白，并揭示不同耕作系统对土壤质量的影响。研究还强调了碳封存过程及其驱动因素在干旱农业生态系统中的重要性。尽管文献中已突出土壤碳和养分封存的潜力，但在受恶劣干旱条件影响的农田中，这些机制和影响因素仍缺乏深入探讨。

本研究采用田间采样、实验室分析和统计建模相结合的方法，考察了植被类型、土壤特性及季节变化之间的关系。通过评估生态和农业表现，本研究为半干旱地区的可持续农业提供了有价值的见解，并为制定基于证据的土地管理政策做出了贡献。研究的重点在于了解SOC、TP和相关肥力指标在长期大麦和苜蓿种植下的响应，从而为农业实践提供科学依据。

在研究区域，两种作物种植的土壤均处于相似的地形和气候条件下，这使得作物类型对土壤属性的影响可以被可靠地比较，而不受环境变量的干扰。研究区域位于阿尔及利亚东北部的Khenchela镇，属于半干旱气候，其特点是低且不稳定的降水量和高温的夏季。2000年至2019年的平均年降水量为495.01毫米，冬季气温范围为6.54°C，夏季则高达27.07°C。这种相似的环境条件为研究提供了理想的基础，有助于明确作物类型对土壤属性的直接和间接影响。

土壤采样过程中，每个试验点采集了10个土壤样本，深度为30厘米。在两个不同的季节（春季2021和秋季2021），每个样本中取出了500克土壤，并小心地装入塑料袋中，标注关键信息，如采样地点、植被类型和样本编号，以确保准确识别。随后，样本在实验室中干燥并过筛（2毫米筛），以确保均匀性。随后，对所有样本进行了全面的物理化学分析，以获取有价值的土壤数据。此外，在现场使用精确的温度计测量土壤温度，以确保数据的准确性和一致性。

在土壤物理特性方面，研究发现，作物类型对土壤温度、容重和含水量有显著影响。而电导率、pH值和碳酸钙含量的变化则主要受到季节的影响。土壤温度在温暖季节显著升高，平均值分别为20.01°C（大麦）和22.09°C（苜蓿）。含水量在温暖季节时，大麦的平均值为20.09%（范围：12.50–27.21%），而苜蓿为13.44%（范围：10.53–15.37%）。在寒冷季节，含水量的平均值分别为15.85%（大麦）和15.64%（苜蓿）。这些数据表明，土壤温度和含水量在两种作物类型之间存在显著差异，而其他参数如电导率和pH值的变化则主要受季节影响。

土壤化学特性方面，电导率（EC）和pH值在两种作物类型之间没有显著差异，但季节变化对其有明显影响。EC值在温暖季节分别为300.90 ± 51.15 μS/cm（大麦）和344.80 ± 67.52 μS/cm（苜蓿），在寒冷季节分别为335.00 ± 81.13 μS/cm（大麦）和303.90 ± 52.96 μS/cm（苜蓿）。pH值在两种作物类型之间没有显著差异，但在温暖和寒冷季节分别保持在8.39 ± 0.23（8.07–8.67）和8.33 ± 0.15（8.11–8.62）范围内，寒冷季节的pH值分别为8.00 ± 0.19（7.72–8.34）和7.94 ± 0.17（7.59–8.16）。这些结果表明，虽然作物类型对EC和pH值的影响不显著，但季节变化对这些参数有明显影响。

土壤有机碳（SOC）和总磷（TP）的含量则显示出作物类型和季节的显著影响。在温暖季节，大麦的SOC平均为1.04%（范围：0.80–1.60%），而苜蓿的SOC平均为1.40%（范围：1.33–1.60%）。在寒冷季节，SOC的平均值分别为1.64%（大麦）和0.95%（苜蓿）。SOC的含量与季节和作物类型之间存在显著的交互作用，特别是在温暖季节，苜蓿表现出更高的SOC水平。SOC的储量（SOCS）和总磷储量（TPS）在温暖季节时，苜蓿的平均值分别为54.53 ± 6.65 t/ha（48.51–68.44 t/ha）和1.71 ± 1.11 t/ha（0.69–3.97 t/ha），而大麦的平均值分别为38.33 ± 11.19 t/ha（26.26–65.96 t/ha）和0.80 ± 0.32 t/ha（0.47–1.45 t/ha）。这些结果表明，长期种植苜蓿能够显著提高SOC和TP的储量，这可能与其持续覆盖和固氮能力有关。

土壤肥力指标的分析进一步揭示了作物类型和季节之间的相互作用。例如，SOC与C:P比之间存在显著的正相关关系（*r* = 0.46, *p* = 0.042），这表明SOC的增加有助于维持更平衡的碳磷比例。此外，SOC与SOCS之间也存在高度显著的正相关（*r* = 0.92, *p* < 0.001），这说明SOC的积累对土壤肥力有重要影响。TP与TPS之间也表现出高度显著的正相关（*r* = 0.97, *p* < 0.001），这表明TP的增加能够显著提升TPS。然而，TP与C:P比之间存在显著的负相关（*r* = -0.70, *p* < 0.001），这表明高磷含量有助于平衡碳磷比例，从而改善土壤肥力。

通过冗余分析（RDA），研究进一步探讨了土壤物理化学参数与土壤肥力指标之间的关系。RDA的结果表明，孔隙度、总碳酸钙含量、电导率、含水量和pH值对SOC和TPS的提升具有显著影响。这些参数在两种作物类型和两个季节中均显示出不同的贡献。例如，孔隙度对SOC和TP的提升具有积极作用，而高碳酸钙含量则对pH值和磷的可用性有显著影响。此外，研究还发现，SOC和TPS之间存在显著的正相关，这表明SOC的增加有助于提高TPS，从而改善土壤肥力。

本研究的讨论部分进一步分析了这些结果的意义。土壤温度对土壤中的生物和化学过程有重要影响，苜蓿的种植显著提高了土壤温度，这可能与其密集的植被覆盖和减少蒸发有关。容重和孔隙度的变化则受到作物类型和季节的双重影响。较高的容重可能与根系穿透和地表压实有关，而孔隙度的增加则有助于改善土壤结构。含水量在大麦种植下较高，这可能与其较低的蒸散率和较强的水分保持能力有关。然而，这种影响会随着季节性降雨和土壤覆盖时间的不同而变化。

土壤pH值在两种作物类型之间没有显著差异，这可能与母质中的高碳酸钙含量有关。EC值的变化同样不显著，这可能与采样时间的选择有关，因为采样时间可能在降水后进行，从而减少了盐分的积累。CaCO?含量在两种作物类型和两个季节中均较高，这表明土壤的钙质特性对养分的可用性有重要影响，特别是磷和微量元素。

SOC含量较低，这可能与有机质输入有限、降水量少和高碳酸钙含量有关。尽管SOC在短期内相对稳定，但本研究中观察到的季节性变化可能与植物特定的生物量输入和微生物活动的季节性变化有关。然而，这些变化可能并不反映SOC的快速周转。TP含量在苜蓿种植下较高，这可能与其根系对深层磷资源的利用有关。此外，苜蓿的根系分泌物，如柠檬酸和苹果酸，有助于提高磷的可利用性。

C:P比的变化在两种作物类型之间没有显著差异，但与季节存在显著相关性。这可能与微生物活动、pH值和植物残体质量的变化有关。pH值与SOC之间存在显著的负相关（*r* = -0.68, *p* = 0.001），这表明碱性条件可能抑制分解过程，促进碳与矿物的结合，从而提高SOC的稳定性。同时，pH值与C:P比之间的负相关（*r* = -0.53, *p* = 0.017）表明，在较高pH值下，磷的生物可利用性增加，有助于减少碳磷比例的不平衡。

土壤含水量与TP和TPS之间存在显著的正相关关系，这可能与微生物活动的增加和有机质的分解有关。含水量的增加有助于磷的迁移，从而提高其在土壤中的可利用性。同时，TP与C:P比之间的显著负相关（*r* = -0.70, *p* < 0.001）进一步支持了这一观点，即高磷含量有助于平衡碳磷比例。此外，SOC与TPS之间的正相关（*r* = 0.35, *p* = 0.029）表明，SOC的增加有助于提高TPS，从而改善土壤肥力。

孔隙度与SOC之间存在显著的负相关关系（*r* = -0.45, *p* = 0.048），这表明增加的通气性可能加速有机质的分解，从而减少SOC的储量。然而，其他研究表明，有机改良剂可以增强孔隙度和SOC的保留，这表明SOC与孔隙度之间的关系可能较为复杂。此外，TP与SOC和SOCS之间存在显著的正相关，这表明TP的增加有助于提高SOC和SOCS的储量。

本研究的结论指出，苜蓿等豆科植物在半干旱农业生态系统中对磷的储存具有积极作用。苜蓿的根系可以深入土壤7–8米，从而利用深层磷资源并将其重新分配到表层土壤中。这一机制不仅有助于提高土壤肥力，还对磷循环的可持续性有重要贡献。研究还强调了作物类型和季节之间的交互作用对土壤质量的影响。大麦和苜蓿各自对土壤碳、水分和养分的动态变化产生了独特的影响，这表明在制定可持续土地管理策略时，需要综合考虑作物类型和季节因素。

总体而言，本研究揭示了大麦和苜蓿种植系统对土壤质量的复杂影响。通过分析土壤物理化学参数和肥力指标，研究提供了关于如何优化土壤健康和农业生产力的科学依据。这些发现对于改善半干旱地区的土壤质量、提高农业可持续性以及设计基于证据的土地管理政策具有重要意义。此外，研究还强调了在应对全球挑战时，因地制宜的土壤管理方案的重要性，以及对土壤参数之间相互作用的深入理解对于可持续农业实践的必要性。