巴西东部马拉尼昂州不同土地利用系统下土壤物理、化学与生物属性的观测性评估

《Agroforestry Systems》：An observational assessment of soil physical, chemical, and biological attributes under contrasting land-use systems in Eastern Maranh?o, Brazil

　　

摘要 综合作物-畜牧生产系统（integrated crop–livestock production systems）的采用，连同轮作、作物连作和间作等实践，增加了对土壤健康进行综合评估的需求。本研究在巴西马拉尼昂州塞拉多（Cerrado）地区评估了不同土地利用系统下的土壤健康。研究于2024年在Barbosa农场（马拉尼昂州Brejo）开展，比较了综合作物-畜牧（ICL）、综合畜牧-林业（ILF）、免耕（NT）、管理牧场（MP）和原生植被（NV）。研究人员从0–0.10、0.10–0.20和0.20–0.30 m土层采集土壤样本，测定土壤容重（Db）、土壤pH、有效磷（P）、交换性钾（K）和总有机碳（TOC）。土壤健康采用土壤管理评估框架（Soil Management Assessment Framework, SMAF）进行评估，该框架将物理、化学和生物指标整合为标准化指数。原生植被在0–0.10 m土层表现出最低的土壤pH（4.28），而ICL表现出最高值（5.42）。NT在有效P和K浓度方面最高（分别为46.94和31.28 mg dm?3）。ILF具有最高的TOC浓度（0–0.10 m土层为24.3 g kg?1）和最大的碳储量（0–0.30 m剖面为97.2 Mg ha?1）。根据SMAF，ILF（0.99）和NT（0.98）在表层获得最高的生物指标得分，而ICL（0.72）和NT（0.73）在0.10–0.20 m深度表现出最高的土壤健康指数（Soil Health Index）值。尽管受限于马拉尼昂州Brejo商业农田的观测性框架，这些结果表明，在沙质塞拉多土壤中，综合系统和免耕比管理牧场更好地维持了土壤健康。

论文解读：巴西东部马拉尼昂州不同土地利用系统下土壤健康的综合评估

一、研究背景与意义

土壤健康（soil health）概念在过去几十年中在农业领域和科学研究中日益受到重视，已成为全球政策制定和研究的核心议题。土壤健康被定义为土壤作为维持植物、动物和人类的活体生态系统持续发挥功能的能力，其直接取决于所采用的管理实践。管理良好、肥力高的土壤往往表现出更高的生产力、更好的土壤结构以及更低的养分损失。除生产功能外，土壤健康还与提供基本生态系统服务密切相关，包括作为植物生长的主要介质、在养分和水循环中的关键作用、作为碳汇的功能以及支持庞大的生物多样性。

在巴西，综合作物-畜牧（integrated crop-livestock, ICL）和综合畜牧-林业（integrated livestock-forestry, ILF）系统等可持续集约化战略的广泛采用，已在全国范围内占据超过1700万公顷，显著促进了环境可持续性和农村发展。这些综合系统通过种间多样化和轮作加速有机质输入、优化养分循环并刺激地下生物活性和生物多样性。树木和多年生牧草的深根系还能增强土壤孔隙度和团聚体稳定性，从而缓解压实和侵蚀等常规单作系统中常见的退化过程。

然而，在巴西塞拉多（Cerrado）地区，特别是MATOPIBA农业前沿（包括马拉尼昂、托坎廷斯、皮奥伊和巴伊亚州），尽管免耕（no-tillage, NT）和作物轮作等保护性实践在缓解土壤退化和碳损失方面发挥关键作用，但总有机碳（total organic carbon, TOC）的净增益仍然有限。该地区雨季温暖湿润的气候条件加速了土壤有机质（soil organic matter, SOM）的分解，限制了TOC的长期稳定和积累。此外，该地区以黏闭沙质土壤为主，这些土壤天然贫瘠且极易发生物理退化。尽管已有众多研究在巴西塞拉多地区应用土壤管理评估框架（Soil Management Assessment Framework, SMAF）评估不同土地利用和管理系统下的土壤健康，但在马拉尼昂州东部黏闭沙质土壤中，整合物理、化学和生物指标的综合评估仍然缺乏，构成了重要的知识空白。因此，本研究旨在评估马拉尼昂州东部塞拉多沙质土壤中免耕（NT）、管理牧场（managed pasture, MP）、综合作物-畜牧（ICL）和综合畜牧-林业（ILF）系统下的土壤健康物理、化学和生物属性。

二、研究设计与方法概述

研究于2024年在巴西马拉尼昂州Brejo市Barbosa农场（3°42′44’’ S, 42°55′44’’ W，海拔104 m）开展。土壤被归类为典型的贫养黄色Argisol（巴西土壤分类系统），对应世界土壤资源参考基础（WRB）中的Acrisol，具有黏闭亚表层和沙质质地。该地区属K?ppen气候分类中的Aw（热带稀树草原）气候，雨季为1月至5月，研究期间年均降水量为1327 mm。

研究比较了五种管理系统：（1）综合作物-畜牧（ICL）；（2）综合畜牧-林业（ILF）；（3）免耕大豆种植（NT）；（4）管理臂形草（Brachiaria）牧场（MP）；（5）原生塞拉多植被（NV）作为自然土壤条件的参考。由于观测性研究的性质，每个田间设置5个采样点作为空间子样本，在0–0.10、0.10–0.20和0.20–0.30 m三个深度采集土壤样本，共计75个土壤样本。

主要技术方法包括：土壤容重（Db）采用不锈钢环刀法测定；土壤pH采用水土比1:2.5的水浸法测定；有效磷（P）和交换性钾（K）采用Mehlich-1方法提取；总有机碳（TOC）采用重铬酸钾（K2Cr2O7）湿氧化法（改良Walkley–Black法）测定。土壤有机碳储量（SOCstock）基于固定深度计算，并在0.20–0.30 m层采用等效土壤质量法（equivalent soil mass）进行校正，以原生植被（NV）作为参考区域。土壤健康采用SMAF框架评估，选取最小数据集包括五个指标：pH、有效P和交换性K代表化学维度；土壤容重（D_b）代表物理维度；土壤有机碳（SOC）代表生物维度。各指标通过SMAF非线性评分函数转换为0至1的无量纲得分，并采用加权加和法整合为综合土壤健康指数（Soil Health Index, SHI），各组分（化学、生物、物理）等权贡献33.3%。统计分析采用方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验（p < 0.05）和主成分分析（PCA）。

三、主要研究结果

土壤质量指标

与原生植被（NV）相比，农业管理系统在化学（pH、P、K）、物理（D_b）和生物（TOC）土壤健康指标上均表现出改善，表明综合和保护性管理实践随时间推移增强了土壤健康。土壤pH在各管理系统和深度层间差异显著，所有深度下管理系统相比NV均提高了土壤pH，综合生产系统（ICL和ILF）和管理牧场（MP）持续表现出最高值，而免耕（NT）和NV保持最低pH值。有效磷（P）浓度在管理系统中持续高于NV，0–0.10 m层NT（46.94 mg dm^?3）和ICL（42.29 mg dm^?3）最高，NV仅3.45 mg dm^?3。交换性钾（K）呈现类似模式，NT在表层最高（31.28 mg dm^?3），NV最低（7.82 mg dm^?3）。土壤容重（D_b）在MP的0–0.10 m层最高（1.50 Mg m^?3），ICL和NT较低（1.37 Mg m^?3），NV最低（1.31 Mg m^?3）。总有机碳（TOC）在ILF下所有深度均最高，分别达到24.3、22.7和21.9 g kg^?1。

土壤有机碳储量

0–0.30 m土壤剖面中的TOC储量在各管理系统间差异显著。ILF系统表现出最高的TOC储量（97.20 Mg ha^?1），显著超过其他管理系统（p < 0.05）。相比之下，NT（62.94 Mg ha^?1）、MP（59.26 Mg ha^?1）、ICL（55.11 Mg ha^?1）和NV（52.32 Mg ha^?1）之间无显著差异，但数值上均低于ILF。

土壤健康指数

土壤健康指数（SHI）整合生物、化学和物理组分，在三个土壤深度进行评估。化学组分在0–0.10 m层NT得分最高；0.10–0.20 m层NT（0.81）和NV（0.72）最高；0.20–0.30 m层NT和NV再次最高（0.85）。物理组分呈现对比模式，MP在所有深度持续最低，NV保持最高值。

总体土壤健康指数

总体SHI在三个深度间差异显著。0–0.10 m层，NT、ICL、ILF和NV均表现高值且无显著差异，MP最低（0.65）。0.10–0.20 m层，NT（0.73）、NV（0.73）和ICL（0.72）最高，显著高于ILF（0.66）和MP（0.65）。0.20–0.30 m层，ICL（0.75）和NT（0.74）最高，显著高于MP（0.67），ILF（0.72）和NV（0.72）为中间值。

不同土地利用系统和深度下土壤属性的主成分分析

主成分分析（PCA）在三个深度均揭示了土壤健康指标与土地利用系统之间的一致性关联。0–0.10 m层前两个主成分解释54.1%的方差，NV与农业管理系统清晰分离，有效P和K在Dim1上呈强正载荷，是区分农业系统的主要变量。0.10–0.20 m层前两个主成分解释61.4%的方差，TOC在Dim1上呈强负载荷并与ILF密切相关，有效P和D_b与NT区分。0.20–0.30 m层前两个主成分解释61.3%的方差，TOC和pH分别与ILF密切相关。总体而言，Dim1主要代表由有效P和交换性K驱动的土壤肥力梯度，Dim2主要与土壤结构和酸度相关属性（D_b和pH）相关。

四、讨论与结论

研究结果表明，所评估的土地利用和管理系统与化学、物理和生物土壤属性的不同模式相关。综合系统和免耕系统通常表现出比管理牧场更高的养分有效性和更低的容重，而综合畜牧-林业系统在整个土壤剖面中表现出最高的总有机碳。管理牧场（MP）下较高的D_b可能归因于牲畜踩踏增加土壤压实和减少孔隙空间。相比之下，保护性管理系统（特别是ICL和ILF）表现出较低的土壤容重，凸显了作物多样化、根系系统异质性和更高生物活性的有益效应。ILF系统下较高的TOC储量凸显了其强大的碳封存和减缓气候变化潜力，树木组分通过凋落物、根系周转和根际沉积增加碳输入。

SMAF评估表明，生物组分（以TOC为代表）在所有深度持续表现出最高得分，强调其在热带塞拉多条件下维持土壤健康的基础性作用。总体SHI进一步证明，保护性管理系统（特别是NT和综合生产系统）将土壤健康维持在可与原生植被相当的水平，凸显了保护性农业在维持基本土壤功能（包括养分循环、生物活性、碳储存和结构稳定性）方面的能力。尽管研究受限于商业农田的观测性框架，这些结果表明，在沙质塞拉多土壤中，综合系统和免耕比管理牧场更好地维持了土壤健康，为可持续土壤管理提供了重要科学依据。