保护性农业提升土壤健康与减少碳足迹的双赢策略：中欧长期试验证据

本综述系统比较了保护性农业（CA）与传统农业在土壤健康、作物产量及温室气体（GHG）排放方面的综合效益。研究表明，通过减少耕作、增加作物多样性及覆盖作物（cover cropping）等保护性措施，可在维持作物产量的同时显著提升土壤健康指数（SHI +7%）并降低碳足迹（GHG -43%），尤其对氮循环和微生物驱动过程改善显著。该研究为温带地区农业可持续转型提供了重要实践依据。

　　

3.1 保护性农业对作物产量和地上生物量的影响

在全球人口增长和气候变化双重压力下，保护性农业通过最小化土壤扰动、增加土壤覆盖和多样化轮作等核心原则，成为应对农业可持续性挑战的重要策略。本研究通过八年田间试验发现，保护性农业并未导致作物产量损失，与传统农业相比，小麦、玉米和甜菜产量保持稳定。特别值得注意的是，在2017-2018年中欧严重干旱期间，保护性农业系统中的甜菜产量显著高于传统系统，表明保护性措施可能通过改善土壤水文特性（如孔隙分布）和水分平衡来增强作物对干旱胁迫的抵抗力。此外，保护性系统中第二季冬小麦（Ww2）的地上生物量显著增加（+0.52 Mg ha^-1），这主要归因于前茬作物大豆的固氮效应带来的正茬口优势。

3.2 保护性农业对土壤健康相关指标的影响

通过评估土壤结构、有机质和微生物驱动的碳氮磷循环相关指标，发现保护性农业对土壤健康的改善主要体现在氮循环相关参数上。虽然土壤有机碳（SOC）储量未发生显著变化，但更敏感的指标如可氧化碳（oxidizable C）和微生物生物量碳（MB-C）显示出管理措施的影响：MB-C浓度从205±7增至208±8 μg g^-1。氮循环相关指标改善更为明显：全氮（TN）储量增加0.9%，总溶解氮（TDN）增加9.1%，微生物生物量氮（MB-N）提高6.0%。这些改善可能与减少耕作带来的表土扰动减少和轮作中豆科作物比例增加有关。相反，磷获取酶活性在保护性系统中显著降低，可能与豆科植物引起的根际酸化促进无机磷活化有关。

3.3 土壤深度和作物类型对土壤健康指标的影响

研究发现作物类型对土壤健康指标的影响甚至超过农业管理系统。冬小麦（Ww1和Ww2）地块的MB-C、MB-N、氮获取酶活性和团聚体稳定性显著高于玉米和甜菜地块，差异高达60-70%。此外，不同作物对管理措施的响应也存在显著交互作用：保护性农业使Ww2和玉米地块的MB-C浓度增加，但甜菜地块却降低；MB-N浓度在保护性系统中的冬小麦地块更高。这些作物特异性效应可能与根系形态和养分需求等性状有关，强调了未来土壤健康评估中必须保证比较地块种植相同作物的重要性。

3.4 保护性农业对土壤健康指数的影响

通过主成分分析（PCA）从13个土壤理化生物参数中筛选出最小数据集（MDS），计算土壤健康指数（SHI）。结果显示保护性农业使SHI显著提高6.84%（从0.26±0.02至0.28±0.02），改善程度处于已有报道的低值范围。PCA表明土壤氮循环相关参数（MB-N和可矿化氮）是管理措施响应的最重要指标。作物类型对SHI的影响极为显著：冬小麦地块的SHI（0.33±0.03）显著高于玉米（0.20±0.02）和甜菜（0.23±0.02）地块。土壤健康指标从表层到底层的下降主要出现在冬小麦地块，可能与根系分布差异有关。

3.5 保护性农业对温室气体排放的影响

使用CoolFarm Tool计算田间尺度温室气体（GHG）排放表明，保护性农业显著降低碳排放43.4%，从1681±72降至959±256 kg CO₂-eq ha^-1。减排主要来自减少耕作（-222 kg CO₂-eq ha^-1，33.3%）和降低肥料生产需求（-121 kg CO₂-eq ha^-1，30%）。豆科作物（大豆和蚕豆）的引入对系统碳排放产生负平衡效应（-163.7和-190.7 kg CO₂-eq ha^-1）。然而，覆盖作物特别是豆科覆盖作物被认为可能增加N₂O排放，导致保护性系统中覆盖作物部分排放增加84%（+204 kg CO₂-eq ha^-1），但这一模型假设与近期田间研究结果存在分歧，需要进一步验证。

4 结论

研究表明，保护性农业措施在维持作物产量的同时，可显著改善土壤健康并降低碳足迹。土壤健康改善主要体现在氮循环和微生物相关参数上，而非土壤有机碳储量。作物类型对土壤健康指标的影响大于管理系统，且存在显著的作物特异性管理效应，这要求未来土壤健康评估必须保证比较地块种植相同作物。通过减少耕作、增加作物多样性和覆盖作物等易于实施的措施，保护性农业为温带地区农业系统应对气候变化、实现可持续转型提供了有效策略。