草原条带在近十年内显著改善土壤健康多维度指标：基于时间序列配对分析的研究

本综述系统阐述了将10%耕地转为原生草原条带（Prairie Strips）这一保护性措施，通过在爱荷华州2-13年的配对时间序列研究，揭示了该措施能快速提升土壤微生物生物量碳（MBC）、有机质（SOM）、最大持水量（MWHC）和团聚体稳定性（最高提升80%），并持续降低硝酸盐（NO3–）浓度。研究证实草原条带是兼顾农业生产与土壤生态系统服务（SESs）恢复的有效策略。

　　

摘要

草原条带（Prairie Strips）是一种较新的管理措施，旨在恢复丧失的农业生态系统服务，同时维持作物生产。草原条带已展现出多种环境效益，包括增加生物多样性、提供更多传粉媒介栖息地以及减少沉积物和养分流失。然而，与大面积草原或草原恢复的研究相比，草原条带对土壤健康（即土壤生态系统服务，SESs）的影响仍未得到充分探索。

本研究有双重目标。首先，我们利用爱荷华州境内一套2至13年的配对时间序列（Paired Chronosequence），评估了草原条带随时间推移对土壤健康的影响。我们确定了草原条带如何影响土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤有机质（SOM）、硝酸盐（Nitrate）、阳离子交换量（CEC）、最大持水量（MWHC）和团聚体稳定性（Aggregate Stability）。其次，我们在配对时间序列的基础上扩展了这六项土壤健康指标，并对12年树龄的草原条带进行了包含12项指标的全面土壤健康评估。

我们的配对时间序列结果表明，草原条带在十年内迅速改善了四项土壤健康指标——MBC（最高54%）、SOM（最高23%）、MWHC（最高7%）和团聚体稳定性（最高80%）。然而，不同土壤健康指标随时间的响应曲线形状各异。土壤MWHC和团聚体稳定性呈线性响应，而MBC和SOM则符合二次响应曲线。随着时间的推移，草原条带对CEC没有影响，但硝酸盐浓度立即下降，并持续比农田土壤低65%。此外，经过12年的实施，在我们的综合评估中，草原条带增强了12项土壤健康指标中的8项。我们的结果表明，草原条带是在活跃耕作的农田中、在短时间内构建土壤健康的一种有效方式。

引言

尽管美国农业稳步提高了主要粮食作物的产量，但这却付出了环境代价。这片高生产力的土地正以不可持续的速度遭受侵蚀，与未开垦土地相比缺乏土壤有机质（SOM），并导致富含养分的水道有时引起富营养化。自1985年以来，美国通过一个名为保护储备计划（CRP）的激励计划为农民提供了解决方案，旨在恢复边际土地上的 grasslands。

CRP在减缓土壤退化和改善水质方面取得了成功，这主要归功于多年生植物取代了一年生行栽作物。超过99%的CRP登记土地与一年生耕作相比减少了土壤侵蚀，一项研究指出减少幅度高达85%。部分由于多年生植物，也由于免耕，CRP改善了土壤健康的许多方面。例如，恢复的CRP grasslands增加了土壤孔隙度，降低了容重，增加了有机碳（C），并增加了微生物生物量和其他不稳定的C形态。然而，CRP可能会将大片土地从生产中移除数年，而定向保护措施，如草原条带，允许在同一块田地内继续生产。

草原条带，或整合到一年生作物田中的狭窄条带（10至40米）的原生植被，最近被添加到CRP中。仅将10%的土地退出生产用于草原条带，就能带来不成比例的生态系统服务效益。例如，10%的土地用于原生草原条带可以减少95%的沉积物损失，38%至94%的硝酸盐（NO₃^–）输送，以及77%至90%的磷（P）。草原条带的另一个优势是土地可以继续耕作，而不会对相邻作物产量产生任何负面影响。然而，与大面积传统CRP农田转 grassland 的研究相比，草原条带对土壤健康的影响仍未得到充分探索。

有理由预期，草原条带下的土壤恢复速度和大面积传统CRP农田转 grassland 可能不同。草原条带的狭窄尺寸——以及与传统的、一年生行栽作物农业的更大接触——可能会阻碍土壤健康的恢复。例如，在一项关于缓冲带有效性的综述中，研究人员得出结论，较窄的条带在多种生态系统服务上表现不佳。此外，目前只有两篇论文探讨了草原条带对土壤健康的影响，且都没有探索这些影响随时间的变化。因此，了解狭窄的草原条带如何以及以何种速度改善土壤健康非常重要。

我们的主要研究目标有两个。在目标1中，我们希望通过在2至13年的草原条带时间序列上测量一套选定的土壤健康指标，量化草原条带改变SESs的速度，采用配对流域时间序列方法（即每个地点都有一个配对流域，包含一个农田对照（仅农田）和一个草原条带处理）。在这个高分辨率、配对流域、草原条带时间序列中，我们监测了六项土壤健康指标，这些指标的选择是为了最好地满足前述标准。SESs改善的轨迹有助于我们更好地了解任何管理实践改变后土壤健康的短期（2至13年）变化。在目标2中，我们试图在最老的草原条带地点（12年）提供更全面的土壤健康测量。为此，我们测量了12项土壤健康指标，作为土壤健康研究所北美土壤健康测量评估项目（NAPESHM）的一部分，该项目在最老的草原条带评估了土壤健康的物理、化学和生物方面。这两个目标结合起来将改善草原条带的管理，并最大化所有农业生态系统服务效益，包括那些与土壤健康相关的效益。

材料与方法

目标1：草原条带时间序列地点描述和实验设计

这项配对流域、草原条带时间序列研究选择的地点位于美国爱荷华州，覆盖了该州七个主要地貌中的四个。所有地点都处于爱荷华州常见的玉米（Zea mays L.）-大豆（Glycine max [L.] Merr.）轮作中。选择了15个配对流域地点，草原条带建立后的时间从2年到13年不等。除爱荷华州 Prairie City 的 Neal Smith 国家野生动物保护区（NSNWR）的三个配对流域地点外，其余都是商业农场。在5个配对地点，草原条带流域是随机选择的；在10个地点，草原条带流域不是随机选择的，而是由农民根据偏好选择。每个配对流域地点在单一年份采样，但在NSNWR，地点在2019年和2020年都进行了采样，这些较老的地点总共有六个地点-年份。

每个配对的草原条带流域都有一个等高草原条带，宽度从4.6米到22米不等，草原条带下的面积为0.48至5.1公顷，占耕作田地的2.1%至17%。这些草原条带通过种植包含17至45种草原物种的种子混合物建立，播种量为4.7至9.9公斤种子/公顷。草原条带在实施后的最初几年通过割草进行管理。农田区域按照爱荷华州典型的免耕玉米-大豆轮作方式进行耕作（一个五年地点除外，该地点采用凿式犁耕）。18个地点-年份的年平均降水量范围从923毫米到1160毫米，平均为967毫米。年平均温度范围从7.9°C到10.2°C。土壤质地中粘土含量从23%到32%，沙土含量从18%到40%不等。所有地点的阳离子交换量（CEC）范围从8.0到41.6 meq/100g，SOM范围从1.7%到4%。

目标1：草原条带时间序列的土壤采样和分析

土壤采样在每个配对地点的十月初进行，在衰老之后但收获之前。在草原条带内的三个点采集土壤样品，点与点之间的距离从23米到293米不等，具体取决于地点。没有草原条带的农田对照田地在与草原条带样品相似田块位置的三个地点采样。使用直径为1.9厘米的土钻在每个采样点采集15厘米深度的复合样品。土壤过筛（<2毫米）并细分用于分析。

通过称取约15克土壤并在105°C下干燥24小时来测量重量含水量。土壤微生物生物量碳（MBC）使用每份土壤的双份重复样品进行测量，称重至约5克。一份重复样品用氯仿（CHCl₃）熏蒸。两份重复样品都用25毫升0.5 M硫酸钾（K₂SO₄）提取；使用岛津TOC-L分析仪测量不可吹扫有机碳，并在每对重复样品之间进行比较。计算MBC时使用了C的提取系数0.45。硝酸盐（Nitrate）从约5克土壤中用25毫升0.5 M K₂SO₄提取，使用MBC未熏蒸样品，并使用Synergy HTX多模式微孔板阅读器与Gen5软件进行测量。CEC使用梅利希3（Mehlich 3）提取液中的醋酸铵当量测量，并在ICP-OES 7300仪器上测量。SOM使用360°C下灼烧两小时的灼烧失重法进行分析，这是在商业土壤测试实验室中为了方便而采用的方法。最大持水量（MWHC），大约为-2.45 kPa，使用“漏斗滤纸”法测量。团聚体稳定性使用Slakes手机应用程序测量。将三个完全干燥的、4至8毫米的团聚体用该应用程序进行分析。将三个团聚体放在一个透明培养皿中，用Slakes应用程序拍摄一张照片，然后在培养皿中注入足够的去离子水以淹没团聚体。Slakes应用程序记录接下来的10分钟以评估团聚体分解情况。然后Slakes确定平均稳定性并将其表示为0（非常不稳定）到1（稳定）之间的值。

目标2：12年草原条带的综合土壤健康采样和分析

2019年，在NSNWR的三个配对流域地点采集了土壤样品，用于综合土壤健康评估。这些测量是根据土壤健康研究所其NAPESHM项目的协议进行的。使用锋利的铲子和土壤刀从重复的草原条带和相邻的行栽作物田地中收集土壤。使用锋利的铲子从给定重复内的六个代表性位置取出15厘米深的土芯。在每个位置，从孔的三个未受干扰的侧面收集三个均匀的土壤刀片（4厘米宽，1.5厘米厚），深度达15厘米。每个重复的所有切片混合均匀，并手工混合，注意尽可能保持自然团聚状态。复合样品被分成不同重量的子样品，适用于每种分析，并邮寄到实验室。

统计分析和数据可视化

对于目标1数据（草原条带时间序列），我们对六项土壤健康指标中的每一项都执行了特定的操作顺序。所有统计分析均对原始数据进行。首先，检查数据的正态性和方差齐性。使用ggResidpanel进行正态性和同方差性分析。Slakes数据进行了对数转换，NO₃^–数据进行了平方根转换以满足这些假设。其次，使用线性混合模型分析数据，以确定是否存在任何主效应和交互效应。模型中的固定效应是草原条带实施以来的时间（Age，一个9水平的连续变量，从2年到13年）和处理（Treatment，草原条带与农田对照）。随机效应是农场或配对地点（site，15个水平），以解释同一农场样品之间可能存在的依赖性。

第三，运行线性混合模型后，将数据转换为在整个时间序列上相对于农田对照的百分比变化。使用线性混合模型和emmeans包在统计软件R中通过REML估计模型的未知数。仅对第二步显示主效应或交互效应的数据拟合和可视化模型。仅主效应无交互作用的数据在没有随时间建模响应的情况下可视化（仅适用于NO₃^–-N）。使用lmerTest和nlraa将计算出的响应拟合到线性、线性平台、二次和二次平台模型。使用最低的Akaike信息准则（AIC）值选择最佳拟合模型。

目标2（综合土壤健康评估）数据同样检查了正态性和同方差性，并同样用线性模型进行分析。NO₃^–-N数据进行了平方根转换，土壤测试P数据进行了对数转换以满足模型假设。NSNWR流域的数据进行了最大-最小归一化。每个处理的数值平均为每个响应的单个值。使用SigmaPlot将X_norm可视化在雷达图中。

结果与讨论

我们能够从12个具有配对流域（有和无草原条带）的商业农场和NSNWR的三个配对地点收集数据。这18个配对地点-年份的气候和土壤性质范围较窄。 across both sample years, some site-years were drier than normal (n=6), and others wetter (n=8). 这项研究首次使用配对地点时间序列方法，在密集的短时间尺度上监测草原条带如何影响土壤健康，我们发现草原条带在短短几年内就提高了多项土壤健康指标。

草原条带随时间以不同速率增加土壤健康指标（目标1）

土壤MBC值与该地区农田和耕作草原的其他研究相当。通常，在建立草原条带后，MBC每年增加5%，直到在10至11年时达到稳定，最大比农田土壤高54%，然后甚至略有下降。MBC的这种改善速度与其他研究中线性增加6%至8%每年的发现有些相似；然而，这些研究没有发现平台期或平稳期。在其他土壤中使用时间序列的研究人员发现，MBC每年增加11%，甚至出现平台期，但与我们的发现不同，这发生在21年时，比农田增加了223%。建立草原条带后MBC快速、持续地增加很重要，因为它被认为是变化缓慢的土壤性质的早期指标。例如，MBC的增加可能表明草原条带正在积累总土壤有机碳（SOC），尽管速度要慢得多。

草原条带随时间增加了SOM，至少在我们采样的表层土壤中是如此。SOM在所有地点的范围从1.2%到5.2%，平均为3.1%。通常像MBC一样，但幅度较小，SOM比农田对照每年增加2.9%，直到接近第八年时达到稳定，最大比农田增加23%，然后改善开始减弱。对于MBC和SOM，这些土壤性质的平台期和下降可能是时间序列研究固有的实验假象，或者可能是草原恢复在这个时间点发生的真实生物物理变化。像任何时间序列研究一样，都存在实验假象。然而，我们研究的独特之处在于，我们使用了更稳健的配对流域设计，农田对照和草原条带流域处于相同的管理、环境条件和先前的土地利用下。因此，MBC和SOM出现平台期的一个更可能的替代解释是真实的生物物理现象。

农田恢复为 grasslands 后，SOM或SOC最初增加然后出现平台期，在其他时间序列研究中也有报道，一些研究人员将其归因于“碳饱和”。但是SOM或SOC测量的不确定性以及这些大多数研究（包括我们的）的短时间框架（从10到21年）可能掩盖了这种变化缓慢的土壤性质的真正轨迹。例如，在附近土壤中使用时间序列的研究人员发现，SOC完全恢复到原生 grassland 的水平需要40多年时间。总体而言，我们的发现，加上Henning等人的数据，支持了这样的观点：嵌入耕作田地的草原条带也可以在浅层（0至15厘米）以每年约0.2至0.3兆克碳/公顷的速度增加SOC，类似于大面积恢复 grasslands 的SOC积累速率（约0.2至1.1兆克碳/公顷/年）。

草原条带对土壤NO₃^–-N产生了近乎瞬时的影响，使其比农田减少了65%。土壤NO₃^–-N在所有地点的两种处理中范围从<1到36毫克氮/千克，平均为9.2毫克氮/千克。土壤NO₃^–的这种立即减少是由于两个主要因素。首先，草原条带下广泛而密集的根系系统迅速吸收并储存了这种植物常量营养素。其次，来自根沉积物的不稳定碳可能导致草原条带下土壤产生更大的微生物氮需求，从而产生更大的净氮固定。虽然没有一年的草原条带，但其他时间序列研究报告称，恢复后的第一年土壤NO₃^–甚至减少了35%至56%。

草原条带强烈的、立即的固氮效应在恢复的 grasslands 中很常见。在草原条带这里，这种效应如此强烈，以至于似乎甚至存在“溢出”效应，即减少的土壤NO₃^–延伸到多年生植被外约1米进入农田。然而，较低的土壤NO₃^–似乎并未影响玉米或大豆的产量。草原条带还可以减少包气带中的NO₃^–。在其他时间序列研究中， grassland 恢复也可以显著减少土壤NO₃^–以及浅层地下水中的NO₃^–。因此，我们的发现进一步强化了 grassland 恢复作为一种有效的流域级“氮过滤器”，并表明草原条带下土壤NO₃^–的快速减少与NO₃^–输出的大量减少（38%至84%）相吻合。

土壤储存和再供应阳离子养分的能力，即CEC，范围从8.0到41.6。我们预测草原条带会增加CEC，主要是因为有机质输入增加，特别是根系。此外，由于停止收获（去除阳离子）和停止施用氮肥（两者都是致酸因素）导致的pH值增加也可能有助于CEC的增加。然而，草原条带随时间对CEC没有影响。Karlen等人发现 grassland 恢复增加了北达科他州的CEC。然而，多项研究，包括在我们最老的地点NSNWR（Prairie City）进行的一项先前研究，也发现草原条带下的CEC没有差异。

草原条带随时间线性增加了MWHC，尽管与其他土壤健康指标相比速度较慢。MWHC在所有地点的范围从0.51到0.96克水/克土壤，平均为0.77克水/克土壤。草原条带使MWHC每年增加0.5%，在第13年时比农田最大增加7%。MWHC的这种增加可能是由于土壤结构改善，但也可能是由于SOM增加。MWHC是较大孔隙中土壤储水能力的指示，并与植物有效水相关。

草原条带随时间线性增加了团聚体稳定性，并且与其他土壤健康指标相比幅度最大。草原条带使团聚体稳定性每年增加5.7%，在第13年时比农田最大增加80%。类似地，密苏里州中央粘土pan地区的研究人员发现，一个八年的恢复草原使团聚体稳定性比农田增加了88%，这与附近的一个残余草原相当。恢复草原下土壤团聚体稳定性的增加很大程度上是由于多年生根系和增强的根沉积作用。根系本身改善了土壤抵抗侵蚀力的能力，并普遍增加了SOM，但更多的是通过提供更大的颗粒有机质来帮助形成稳定的团聚体。此外，根的看不见的贡献（即根沉积）喂养土壤微生物，进而产生细胞外聚合物物质，作为胶水将土壤颗粒粘在一起。这种增加的团聚体稳定性可能是草原条带或一般恢复草原下储存更多碳的反馈循环的一部分。团聚体稳定性是土壤抵抗侵蚀力能力的可靠衡量标准，我们的发现为草原条带能够显著减少流域沉积物损失（与没有草原条带的农田相比减少95%）提供了田间确认。

使用我们的六项土壤健康指标的实际考虑

随时间监测土壤健康对于实现社会和环境目标非常重要。传统农业利益相关者面临许多持续挑战，如土壤退化（通过侵蚀）、SOC流失、环境污染、气候变化和不断增长的全球人口。为了应对这些挑战，土地管理者需要在恢复SESs through improving soil health的同时维持或增加作物产量。然而，记录土壤健康的改善是困难的，特别是对于那些变化缓慢的指标。不幸的是， arguably最棘手的土壤健康指标——也是唯一具有市场价值的指标——是SOC。因此，监测变化快速、早期的土壤健康指标对于土壤健康运动整体至关重要，但对记录土壤健康改善的土地管理者更为重要。

在我们的研究中，MBC、SOM和团聚体稳定性的响应相对一致且快速。此外，所有这些都提供直接或间接的SESs测量，并且是可获取的、相对容易和/或廉价的测量（每个样品<1美元至约25美元）。MBC和SOM测试必须在专业土壤实验室进行，但它们对恢复的草原有响应，尽管效果可能在10年后达到稳定。通过Slakes手机应用程序测量的团聚体稳定性成本非常低，并且团聚体稳定性是我们六项指标中响应最显著的，草原条带使该指标相对于农田提高了80%，并且在13年内没有显示出放缓的迹象。MWHC可以用常见的家用物品（如咖啡滤纸和漏斗）测量，并且响应缓慢但持续，随草原条带年龄增加。后两种测量方法足够便宜和易于获取，可以吸引公民科学家参与，并满足Doran和Zeiss提出的良好土壤健康指标的条件。

草原条带在12年后对土壤健康具有综合效益（目标2）

我们利用与土壤健康研究所在其NAPESHM活动中的合作努力，对我们三个最老的配对流域地点进行了更全面、更深入的土壤健康评估。草原条带在放置12年后改善了12项土壤健康指标中的8项。草原条带使SOC和总氮（TN）增加了约16%，通过总磷脂脂肪酸（PLFA）测量的土壤微生物生物量（SMB）增加了234%，土壤pH增加了4%，水稳性团聚体（WSA）增加了51%；并降低了土壤测试氮（STN）96%，土壤测试磷（STP）38%，容重（BD）6%。十二年的草原条带对潜在可矿化碳（PMC）、潜在可矿化氮（PMN）、植物有效水（PAW）或田间持水量（θ_fc）没有影响。

使用NAPESHM采样进行的更全面测量大多证实了配对时间序列采样（目标1）中使用的六项测量，至少在草原条带改善的方向上，尽管幅度并不总是相同。这可能是由于方法学差异或其他固有的变异来源。例如，草原条带使团聚体稳定性增加了110%或51%，无论是通过Slakes应用程序还是湿筛法测量，这是由于方法学相关但不可互换。这种冗余性和相似性有助于验证我们用于时间序列研究的更便宜或更易获取的土壤健康测量方法。

草原条带显著改善了12项土壤健康指标中的8项，并增加了其他指标，但不显著。我们基于最大-最小归一化计算了一个独特的土壤健康评分，以估计草原条带的整体土壤健康效益（评分范围0到12）。草原条带使该土壤健康评分提高了227%。该评分并非用于评估多个地点的土壤健康，不同于其他指数如土壤管理评估框架（SMAF）和综合土壤健康评估（CASH）评分。然而，先前使用SMAF和CASH评分的研究表明，与农田相比， grasslands 往往能整体改善土壤功能。先前的研究表明，六年的草原条带平均CASH评分高出107%，但SMAF评分没有差异。

草原条带提供了流域尺度的效益，然而土壤健康效益主要局限于草原条带下的土壤。因此，土地所有者或经营者可以战略性地改善其田地一小部分（约10%，如果遵循标准草原条带建议）的土壤健康。草原条带是农民可以用来构建土壤健康并改善农业生态系统服务的又一个工具，与其他保护措施如覆盖作物、多样化轮作和多年生作物一起。然而，草原条带的独特之处在于它只占据田地相对较小的部分，允许在剩余的农田中实施这些其他保护措施的灵活性和空间。理论上，草原条带也可以在田地中轮作，以便将土壤健康效益传播到田地的其余部分。

轮作草原条带的想法已被农民和研究人员 alike 提及。一个草原条带可以保留10到15年，如本研究记录的那样构建土壤健康，然后轮作回农田，同时在以前的农田上建立一个新的草原条带。这样，不仅土壤健康会在新建立的草原下积累，而且先前在草原下10到15年的新农田下也可能存在潜在的SES效益。此外，有一些记录的证据表明，多年生覆盖后作物产量得到改善。这种通过轮作草原条带来传播土壤健康效益的概念已被一些农民推测，但仍未经测试。

总结与结论

草原条带是一种较新的管理措施，它将作物生产的经济目标与多样化、原生、多年生 grasslands 的不成比例的环境效益相结合。许多草原条带效益，特别是在流域尺度上，已经被证明。这里我们研究了草原条带如何影响直接位于恢复的、原生多年生植被下的土壤健康随时间的变化。我们发现草原条带在十年时间框架内提高了六项指标中的五项，并在12年时全面改善了许多土壤健康指标，包括改善了与多种SESs相关的土壤健康指标，如土壤生物栖息地、碳积累、抗侵蚀性、更有效的养分循环和改善的储水能力。然而，土壤健康的这些方面并不会以相同的速率 nor 以相似的轨迹随时间改善。总体而言，我们的研究结果凸显了草原条带是在活跃耕作的农田中、在短时间内构建土壤健康的一种有效方式。