《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Synergistic agricultural systems improve soil health and support sustainable land use in sandy soils
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沙质土壤保护性农业措施研究表明，免耕轮作结合覆盖作物与氮肥（SBR-GL34）系统较常规管理提升土壤孔隙度18%、降低紧实度11%、增加有机碳18%，并增强微生物活性（60-64%）。
卡米拉·P·卡尼亚（Camila P. Cagna）、莫格斯·K·比鲁（Moges K. Biru）、迭戈·A·H·S·莱陶（Diego A.H.S. Leitao）、帕特里夏·A·B·巴雷托-加西亚（Patricia A.B. Barreto-Garcia）、维维安尼·维里亚托（Viviany Viriato）、何塞·C·B·杜布（Jose C.B. Dubeux）、卡西奥·A·托尔梅纳（Cassio A. Tormena）、马西奥·R·努内斯（Marcio R. Nunes）
美国佛罗里达大学（University of Florida, UF）全球食品系统研究所（Global Food System Institute）土壤、水与生态系统科学系，食品与农业科学研究所（Institute of Food and Agriculture Science, IFAS），盖恩斯维尔（Gainesville, FL）
摘要
全球约有9亿公顷的沙质土壤被用于农业扩张和粮食生产。然而，由于这些土壤养分和水分保持能力较低、结构较差且容易发生压实，因此极易退化。我们的目标是确定基于保护的措施来维持或改善沙质土壤的健康状况。研究了三种不同深度（0–5厘米、15–20厘米和25–30厘米）的土壤物理、化学和生物特性及过程。多样化的种植系统，特别是结合覆盖作物和氮肥施用的草皮轮作系统（SBR-GL34），显著提升了土壤的整体健康状况。与传统的农业管理方式（Business as Usual, BAU）相比，该系统使土壤总孔隙度增加了18%，地下容重降低了11%，土壤有机碳储量增加了18%。此外，可氧化碳含量增加了38%，β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶的活性分别提高了60%和64%。尽管有所改善，但所有农业系统的碳储量仍低于自然状态（低55–65%），并且表现出土壤物理退化的迹象。通过整合覆盖作物、氮肥施用和放牧措施，可以增强微生物活性和养分循环，从而缓解从自然状态转变为农业状态所带来的负面影响。在所有农业系统中，SBR-GL34系统在改善（相对于BAU）和维持（相对于自然状态）沙质土壤健康及生产力方面表现出最大潜力。总体而言，结合适当的养分管理和长期农业实践（减少土壤扰动、最大化植物多样性及土壤覆盖）有助于在沙质土壤中实现可持续的农业生产。
引言
沙质土壤遍布全球，占陆地总面积的31%，但仅有4%被用作耕地（Huang和Hartemink, 2020）。历史上，由于管理难度大——例如养分和有机碳保持能力低、持水能力差、易受侵蚀和养分流失影响，以及在雨养条件下经常出现水分不足等问题，沙质土壤在农业领域并未受到重视（Ramalho和Beek, 1995）。尽管沙质土壤容易退化且生产力较低（Donagemma等人, 2016），但由于人口持续增长、城市化和人类消费增加，农业仍在不断向沙质土壤区域扩展（Silva等人, 2020）。因此，寻找能够提升沙质土壤整体健康状况的农业管理方法对于支持全球粮食生产增长同时减少对环境的影响至关重要。
在不对自然资源造成破坏的情况下确保不断增长的人口的食物安全是21世纪的主要挑战之一（Yost和Hartemink, 2019）。在这种情况下，土壤健康起着关键作用（Nunes等人, 2018）。传统的集约化管理方式（如单一种植、过度耕作、有限的作物轮作和大量使用无机肥料）已经导致了土壤健康状况的下降（Yang等人, 2020）。沙质土壤特别容易因传统农业方式而退化。一旦退化，这些土壤的恢复能力很低，尤其是受到压实后，这会严重影响作物生长（Yost和Hartemink, 2019）。因此，研究能够支持土壤功能、提高生产力和环境质量的农业系统变得尤为重要，尤其是针对沙质土壤（Bonetti等人, 2023）。
土壤健康是指“土壤在土地利用和生态系统范围内维持生物生产力、保持环境质量以及促进植物、动物和人类健康的能力”（Doran和Parkin, 1994），它涵盖了与生产力、水分调节、养分循环和生物多样性相关的关键土壤过程（Nunes等人, 2018）。用于全面评估土壤健康的指标包括物理性质（如容重、孔隙度、持水能力和渗透性）、化学性质（如pH值、电导率和养分浓度）以及生物性质（如呼吸作用、酶活性和有机碳含量）（Nunes等人, 2020）。这些指标对土地利用和管理方式具有敏感性，并与多种土壤功能相关（Nunes等人, 2018）。
保护性农业实践，如免耕结合覆盖作物、作物-畜牧结合（ICL）和草皮轮作（SBR），有助于改善沙质土壤的健康状况并减轻环境退化（Iheshiulo等人, 2023；Musei等人, 2024；Turmel等人, 2015；Yang等人, 2020）。ICL系统通过在经济作物休耕期间引入放牧来多样化生产并提高恢复力（Silva等人, 2022）。这些系统通过根系和粪肥增加碳输入，促进微生物多样性，改善土壤团聚结构，并增强养分循环和水分利用效率（Alves等人, 2023；Bonetti等人, 2023；Moreira等人, 2023）。SBR通过将深根多年生草类（如巴希草（Paspalum notatum）或百慕大草（Cynodon spp.）纳入轮作序列，进一步提高了土壤的恢复力和盈利能力。这些草类改善了土壤通气性、团聚结构和水分利用效率，同时减少了投入（Katsvairo等人, 2006；Zhang等人, 2022a；Zhang等人, 2022b）。
许多研究强调了保护性农业实践的好处（Crespo等人, 2024）。然而，大多数研究仅关注单一措施或个别土壤健康指标，往往忽略了多种系统（如覆盖作物、ICL和SBR）的综合作用和协同效应，尤其是在沙质土壤条件下。此外，目前缺乏全面评估这些综合系统下土壤健康物理、化学和生物维度的研究（Singh和Nunes, 2025）。这一知识空白限制了我们对这些实践如何相互作用以及如何促进沙质土壤农业生态系统恢复力和可持续性的理解。因此，需要长期评估多种管理系统和全面的土壤健康指标，以提供关于在沙质土壤上实现可持续农业集约化的可靠建议。
我们的总体目标是确定能够维持或恢复沙质土壤整体健康的农业实践，通过量化各种基于保护的系统与传统的农业管理方式（BAU）及自然植被相比对土壤物理、化学和生物特性的影响。我们假设：（1）覆盖作物和氮肥施用能够改善土壤整体健康；（2）放牧系统（如ICL和SBR）能够提升土壤健康；（3）SBR在改善沙质土壤整体健康方面比ICL系统更有效。
研究地点
实验在佛罗里达大学/食品与农业科学研究所（University of Florida/IFAS）的北佛罗里达研究与教育中心（North Florida Research and Education Center, NFREC）进行，位于佛罗里达州玛丽安娜（Marianna，坐标30°52' N, 85°11' W）。实验地点的土壤被归类为红湾细沙壤土（Fine-loamy, kaolinitic, thermic Rhodic Kandiudults），其中沙质占比81%，粉粒占比9%，黏粒占比10%（USDA – Soil Survey Staff, 2014）。
实验设计和处理
该田间实验于2017年建立，设置了7.3米×15.2米的试验地块
生产系统对土壤健康指标的影响
在表层土壤（0–5厘米）中，草皮轮作系统（SBR-GL、SBR-GL34和SBR-G90）的穿透阻力（PR）较高，比非放牧覆盖作物系统（NG-C和NG-C34）高出约57%，也比作物-畜牧结合系统（ICL-GL、ICL-GL34、ICL-G90）高出53%（图2）。只有非放牧覆盖作物系统与传统的农业管理方式（BAU）存在显著差异。在15–20厘米深度层，施用氮肥的覆盖作物系统（SBR-GL34）
生产系统对土壤健康指标的影响
这项全面评估量化了长期可持续农业系统对沙质土壤化学、物理和生物健康指标的影响，与传统的农业管理方式（BAU）进行了对比。总体而言，采用长期的保护性农业实践可以改善沙质土壤的化学、物理和生物健康状况。引入覆盖作物（NG-C）和氮肥施用（NG-C34）减少了土壤压实（例如降低了穿透阻力，提高了总孔隙度等）
结论
这项长期全面的土壤健康评估表明，以保护为导向的农业实践可以减轻将自然植被转化为耕地的不利影响，尤其是在本身脆弱且易退化的沙质土壤中。采用传统的农业管理方式（即BAU），如冬季休耕和夏季单一种植，会加剧土壤压实，降低生物活性，并减少土壤中的碳和氮储量
作者贡献声明
卡米拉·P·卡尼亚（Cagna Camila P）：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。
何塞·C·B·杜布（Jose C. B. Dubeux）：撰写修订稿、资源协调、方法论设计、概念构建。
维维安尼·维里亚托（Viviany Viriato）：方法论设计。
马西奥·R·努内斯（Marcio R. Nunes）：撰写修订稿、监督工作、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、概念构建。
卡西奥·A·托尔梅纳（Cassio A. Tormena）：撰写修订稿、方法论设计、资源协调。
帕特里夏·A·B·巴雷托-加西亚（Patricia A.B. Barreto-Garcia）：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了美国农业部国家食品与农业研究所（USDA National Institute of Food and Agriculture）研究能力基金（Hatch）项目7004188（Hatch grant FLA-SWS-006289）的支持（资助给MRN）。同时感谢佛罗里达大学食品与农业科学研究所（IFAS）的支持。特别感谢佛罗里达大学北佛罗里达研究与教育中心（Marianna, FL）在试验现场提供的长期支持。
