《Archives of Agronomy and Soil Science》：Soil losses due to carrot and sweetpotato harvesting: the role of root morphology
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本文通过两年期田间试验，首次系统比较了胡萝卜与甘薯采收过程中的土壤流失（SLCHcrop）差异，揭示根系形态（凹陷粗糙面IRS vs 平整光滑面USS）是影响土壤流失的关键因素。研究发现甘薯的SLCHcrop（1.46 Mg ha?1harvest?1）是胡萝卜（0.62 Mg ha?1harvest?1）的2.4倍，IRS根系土壤流失量较USS高54%。研究强调通过优化作物选种（如优先选择USS型根系）可降低土壤退化风险，为可持续农业提供重要实践依据。
研究背景与意义
土壤因作物采收而流失（Soil Loss due to Crop Harvesting, SLCHcrop）是一种全球范围内被低估的土地退化过程。SLCHcrop导致土壤功能和肥力耗竭，同时增加农业生产成本。根据近期研究，全球SLCHcrop平均速率约为22 Mg ha?1harvest?1，远超过土壤形成速率（0.3–1.4 Mg ha?1harvest?1）。据估计，全球约8%的可耕地可能易受SLCHcrop影响。在众多作物中，块根和块茎作物如胡萝卜、甘薯等是导致SLCHcrop的重要作物。影响SLCHcrop的因素主要包括土壤特性、作物形态、农艺管理和采收方法，其中土壤特性和作物形态被文献记载为影响土壤通过作物采收而转移的最重要变量。然而，在作物形态影响SLCHcrop的研究方面存在明显不平衡，全球36篇相关出版物中仅有4篇讨论了作物形态对SLCH的影响。因此，深入研究作物根系形态对SLCHcrop的作用机制，对于准确评估土壤退化、指导可持续农业生产具有重要意义。
材料与方法
本研究在尼日利亚伊巴丹大学教学与研究农场进行，该地区土壤为源自基底复合岩的Alfisol，局部归类为Iwo系列，平均坡度1%，土壤质地为壤质砂土，容重为1.45 Mg m?3。研究为期两年（2021-2022年），采用随机完全区组设计，设置四个重复。胡萝卜采用育苗后移栽，甘薯采用插条种植。采收时使用传统锄头松动土壤后手工拔取，防止根系断裂。采收后的胡萝卜和甘薯根据根系表面形态分为两组：凹陷粗糙表面（Indented Rough Surfaces, IRS）和平整光滑表面（Undented Smooth Surfaces, USS）。通过清洗、刷除附着土壤并称重，计算单位作物质量的土壤流失量（SLCHspec）和单位面积每次采收的土壤流失量（SLCHcrop）。同时测定土壤养分含量（N、P、K），并估算因土壤流失造成的养分损失及其经济成本。数据采用R-4.2.1软件进行双因素方差分析（ANOVA），并用Duncan多重范围检验（DMRT）比较均值。
根系形态特征与土壤流失机制
研究结果显示，甘薯的作物产量和细根重量分别是胡萝卜的1.2倍和1.4倍。甘薯的细根重量与作物产量之比（细根重量/作物产量）也是胡萝卜的1.2倍。细根和单位作物产量下的细根重量被证实是根茎类作物采收过程中土壤截留的重要载体。因此，甘薯在采收过程中截留土壤颗粒的倾向性高于胡萝卜。进一步的形态学分类表明，IRS根系作物的细根重量是USS根系作物的1.9倍，IRS的细根重量与根系产量之比是USS的2.2倍。作物类型与根系形态的交互作用对细根重量和细根重量/作物产量有显著影响（p < 0.05），表明这些根系形态特征在很大程度上受作物类型诱导。
甘薯的单位土壤流失量（SLCHspec）约为胡萝卜的两倍。总体而言，甘薯造成的SLCHcrop是胡萝卜的2.4倍。甘薯较高的土壤截留和转移能力可归因于几个机制：首先，甘薯具有比胡萝卜更发达的细根系统，细根是采收过程中牢固截留和携带土壤颗粒的关键载体。研究发现，细根重量与土壤流失量在甘薯和胡萝卜下均呈极显著正相关（R2 = 0.86–0.99；p < 0.01）。其次，甘薯较高的细根重量/作物产量比意味着其有更多区域可供土壤附着和细根截留，SLCHspec与细根重量/作物产量在甘薯下呈显著正相关（p < 0.01）。第三，甘薯根系表面具有更明显的粗糙度和凹陷结构，这些凹陷的形状和深度决定了采收过程中土壤截留的数量。IRS根系作物的土壤流失量（SLCHcrop）比USS高54%。这些发现与先前研究一致，即根系的形状、凹陷、皮肤粗糙度和须根会增加SLCHspec。
土壤剥蚀与养分流失的经济成本
甘薯采收导致的土壤剥蚀速率（1.47 × 10?2mm yr?1）是胡萝卜（6.15 × 10?3mm yr?1）的2.4倍。尽管甘薯造成的土壤剥蚀低于全球估计的土壤形成速率（0.11 mm yr?1），但其对土壤退化的潜在影响不容忽视。形态上，IRS根系作物导致的土壤剥蚀速率是USS的2.2倍。甘薯因其较高的细根量和凹陷粗糙表面导致更严重的土壤退化，而胡萝卜则因细根较少且无凹陷而土壤退化较轻。
在养分流失方面，甘薯转移的N、P、K量分别比胡萝卜高54%、29%和79%。这归因于甘薯更高的细根重量增强了其在采收过程中截留养分的能力。本研究记录的养分损失低于文献报道值，可能与研究区域的土壤质地（粗质地土壤）有关。土壤水分和质地共同影响着土壤流失及其伴随的养分损失。研究表明，在土壤含水量低于16%时采收作物可显著减少SLCH。
补充甘薯采收造成的NPK养分损失的肥料等效成本比胡萝卜高41%（相当于每公顷每季高出5.52美元）。IRS根系作物补充养分损失的经济成本是USS的2.1倍。这意味着种植USS根系作物可以降低生产成本，从而增加农民利润。考虑到非洲化肥价格持续上涨（例如尼日利亚2023年的化肥价格是2000年的5.2倍），小规模农户补充因采收流失的养分的意愿可能降低。因此，向农民宣传减少采收过程中土壤和养分流失的重要性及其经济成本至关重要。
土壤质地与采收技术的影响
本研究中胡萝卜的SLCHcrop低于文献报道值，而甘薯的SLCHcrop高于某些报道。这种差异可归因于土壤质地和采收方法的不同。本研究的SLCHcrop值与在类似质地土壤（粗质地土壤）上采收的甘薯和白芋头的结果相近，但低于在中质地土壤（如中国的马铃薯和甜菜、乌干达的木薯、比利时的马铃薯和甜菜）和细质地土壤（如土耳其的胡萝卜、巴西的马铃薯）上报道的值。
在采收技术方面，本研究采用人工采收，其SLCHcrop低于其他研究中传统人工采收和机械采收的值。人工采收包括多个阶段（拔取、抖动、收集、包装、运输），每个阶段都有机会减少附着在作物上的土壤。例如，拔取和抖动可以去除部分附着沉积物，手工收集作物可以减少土壤损失，运输过程中部分土壤颗粒可能通过包装袋孔洞流失。这些阶段共同作用降低了土壤附着量。而机械采收的SLCHcrop受操作者采收深度、采收速度和机器类型等因素控制，通常土壤流失量更大。
结论与展望
本研究证实作物类型和根系形态共同影响着采收过程中的土壤流失。具体而言，甘薯采收导致的土壤流失是胡萝卜的两倍，这主要归因于甘薯具有更高的细根重量、根系凹陷和单位产量下的细根重量等形态特征，这些特征协同促进了土壤在采收过程中的附着、截留和转移。甘薯引起的土壤剥蚀需引起重视，而胡萝卜的影响相对较小，表明在相同环境条件下连续种植甘薯会比胡萝卜更快地导致土壤退化。甘薯采收造成的养分损失经济成本高于胡萝卜。因此，土壤因作物采收而流失的程度主要取决于作物类型和作物根系形态，在土壤退化评估中应充分考虑这些因素。
未来的研究可进一步探索不同农艺管理措施（如灌溉制度、土壤改良剂）如何与作物根系形态互作影响SLCHcrop。同时，育种项目可考虑将低土壤附着性的根系形态（如USS）作为选育目标之一，以促进农业的可持续发展。对农民进行宣传教育，使其了解选择低土壤附着性作物品种和优化采收实践的经济和环境效益，是减少SLCHcrop、保护土壤资源的关键。
