热带地区基于树木的生产系统与表土肥力及碳储量的关系——厄瓜多尔Zamora Chinchipe六种土地利用系统的比较研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Tree-based production systems and their relationships with topsoil fertility and carbon storage in tropical regions

　　

基于树木的生产系统（tree-based production systems）显著提高土壤碳（soil carbon）和肥力（fertility）。牧场（pastures）表现出土壤酸化（soil acidification）及关键养分耗竭（depletion of key nutrients）。农林复合系统（agroforestry）在土壤质量指标（soil quality indicators）上优于单一栽培（monocultures）。普遍存在的养分失衡（nutrient imbalances）限制了热带土壤（tropical soils）生产力（productivity）。

论文解读：热带地区基于树木的生产系统与表土肥力及碳储量的关系

土壤是陆地生态系统最大碳库，储存碳多于大气和植被之和。土地利用变化为集约农业导致表土土壤有机碳（SOC, soil organic carbon）损失30%–75%，释放CO₂并降低土壤肥力和生产系统韧性。提高SOC是气候智慧农业的基础。土壤碳储量受土地覆盖和管理影响，土壤质地、容重（BD, bulk density）及大量和微量元素是评估土壤质量和退化的重要指标。厄瓜多尔亚马逊Zamora Chinchipe具有高生物多样性和生产潜力，但土壤浅、酸性、低肥力，农业扩张造成天然林、单一栽培、可可和咖啡农林复合系统（agroforestry）及林牧系统（silvopastoral systems）共存。林牧系统集成树木、作物或牧场，可促进碳固定并改善牲畜生产力和土壤可持续性；农林复合系统结合商业作物与树木，促进生物多样性和微气候调节并多样化收入；单一栽培（monoculture）简化生态系统结构，可能负面影响土壤质量。缺乏在区域尺度同时比较林牧系统、可可和咖啡农林复合、牧场和森林的定量数据。研究目标为量化Zamora Chinchipe六种土地利用类型表土碳储量，并评估土地利用变化与表土理化性质关系。假设为SOC储量和表土性质在基于树木和简化系统间不同，农林复合和林牧系统可能具有更高碳储量和更有利物理条件。

关键技术方法：采用比较观测设计；样本队列来源为厄瓜多尔Zamora Chinchipe省与农民协会ASOPROMAS、ACRIM和AGROPZACHIN协调选择的187个农场，其中172个农场采集187个0–20 cm复合土样。六类土地利用系统为可可农林复合、咖啡农林复合、可可单一栽培、森林、牧场和林牧系统。用环刀测BD，Bouyoucos法测质地，INIAP方法测pH、N-NH₄⁺、P、K、Ca、Mg、S、B、Zn、Cu、Mn，灼烧法测土壤有机质（SOM, soil organic matter），0.58转换SOC，按SOC、BD和20 cm深度计算碳储量。非参数Kruskal-Wallis检验、Dunn事后Bonferroni校正、Spearman相关和主成分分析（PCA, principal component analysis），SPSS 29.0.3分析。

结果部分：土壤物理性质与质地方面，BD最高在咖啡农林复合，但与可可单一栽培无显著差异；可可单一栽培与森林无显著差异；其余系统较低且相似。粘土最高在可可农林复合和牧场，最低在咖啡农林复合但无显著差异；砂最高在咖啡农林复合，仅与可可农林复合显著差异。土壤碳储量与SOM方面，碳储量最高在咖啡农林复合，与牧场和林牧无显著差异，但显著高于其他系统；最低在可可单一栽培，与森林和可可农林复合无显著差异。SOM最高在牧场和林牧，其次森林；咖啡农林复合并非最高。相对差异上，可可农林复合碳储量比可可单一栽培高约20%，林牧比牧场高约24%，森林比可可单一栽培高约27%。土壤养分方面，N分化最强，咖啡农林复合最高，其次林牧和牧场，可可单一栽培最低。P差异有限但林牧较高。S、Ca、Mg通常农林较高，牧场较低；咖啡农林复合与牧场S显著，农林与牧场Ca显著，可可农林复合与牧场Mg显著。K无显著差异。土壤pH与微量元素方面，所有系统pH酸性，约4.5–6.0，可可农林复合最高，森林最低。牧场和林牧Fe、Zn较高；Mn与可可农林复合和可可单一栽培相关；咖啡农林复合B最高，森林、牧场、林牧最低；Cu分布相近。Mn和B有显著差异，Zn和Cu无显著差异；超过70%农场Fe、Mn、Cu高。PCA与相关性方面，PCA解释37.3%总方差，PC1为21.7%，PC2为15.6%。PC1区分高SOC、N、Fe与高pH、Ca、Mg、Mn；PC2反映质地梯度。牧场和林牧偏正PC1，可可和咖啡农林偏负PC1但椭圆重叠。相关性中，Ca-Mg r=0.81，pH-Ca r=0.60，pH-Mg r=0.49，碳储量-N r=0.52；Fe与B r=?0.65，与pH r=?0.57，与Ca r=?0.56，与Mg r=?0.52；N与B、pH、Ca、Mg r=?0.31至?0.43。

讨论部分总结：4.1土壤肥力：森林转农改变物理性质尤其BD，因植被覆盖损失、有机质输入减少、侵蚀、压实和管理不当。表土草根促进团聚和稳定，使牧场和可可农林复合BD负面影响较不明显，但不足以完全防止集约放牧或连作压实。质地差异不应解释为快速矿物转变，可能反映母质、原有植被和选择性侵蚀。牧场低pH、低Ca、Mg、S、Mn和高Fe表明酸化和养分耗竭，与牲畜管理有关；碳积累可与化学退化共存。可可和咖啡农林复合较单一栽培有更高pH和Ca、Mn、S，归因于凋落物、有机残体、植物多样性和养分循环。所有农场高Fe、低B，超过50%缺P和K，限制可可、咖啡和牧场生长。长期可持续依赖养分补充、酸度控制和SOC保护，以及数字土壤监测、生物基肥料等工具。4.2碳储量：咖啡农林复合和林牧C储量平均超过80 Mg ha^?1，反映表层碳储存增强。遮阴可可与可可单一栽培、林牧与牧场比较显示表土碳储量增加超过20%。森林碳储量始终高于可可单一栽培。基于树木系统增强碳固定并恢复或维持土壤质量，减少天然林压力。Suárez et al.报告表土0–30 cm最高在可可系统，其次农林、牧场、森林，与本研究一致；30–120 cm森林最高，牧场最低。本研究中牧场平均89.5 Mg ha^?1，但集中在表层，限制总碳储存解释。基于树木系统促进深层碳输入。森林保护仍根本。本研究森林碳储量约69.45 Mg ha^?1，低于Jiménez et al.的94 Mg ha^?1和Jadán et al.的90.16 Mg ha^?1。未来需采样30–60和60–120 cm，考虑海拔和坡度，0.58转换因子可能不确定性。

研究结论翻译：农林复合系统和林牧系统与若干表土肥力指标更有利条件相关，包括较高pH值和所选大量及微量元素更大有效性。Zamora Chinchipe若干生产者采用的有机认证进一步增强了这些系统的相关性。该认证可能提高可可、咖啡和奶制品在差异化市场中的市场价值，同时支持旨在土壤保护和减少对天然林压力的管理实践。在采掘活动扩张对自然生态系统构成日益威胁的背景下，维持和推广农林复合系统和林牧系统可能代表通向环境可持续性和区域发展的有前景路径。结果还表明，与可可单一栽培和牧场系统相比，农林复合系统和林牧系统与表层更高土壤碳储量相关。然而，评估仅限于土壤剖面上部，因此不能完全捕捉土壤碳垂直分布和动态。尽管存在这一局限性，观测值表明基于树木的生产系统下表土具有更大碳储存能力。该模式突显了将树木整合到农业和畜牧系统中的潜在重要性，既因为其对生物量输入的贡献，也因为其在维持或增加土壤碳储量中的潜在作用。尽管如此，这些发现应解释为关联而非直接因果效应证据。