土地利用损害有机土（Histosol）土壤质量：传统耕作与次生林的对比研究

《Applied Soil Ecology》：Land use impairs soil quality in a Histosol: a comparative study between conventional cultivation and secondary forest

　　

传统土地利用显著损害了有机土（Histosol，富含有机质的土壤）的土壤质量。研究人员以巴西里约热内卢州沿海平原的酸性硫酸盐有机土（Sapric Thionic Histosol）为对象，对比评估长期传统耕作与相邻次生林下土壤物理、化学和生物属性的差异。结果表明，与次生林相比，传统耕作土壤呈现显著酸化、养分耗竭和有机碳减少，总有机碳（TOC）含量及碳储量分别降低17.9%和26.9%。细菌α多样性和丰富度显著下降，群落结构发生明显改变，Chloroflexota富集而Bacteroidota减少。此外，耕作还导致土壤大型动物密度（降低69.5%）、丛枝菌根真菌（AMF）孢子密度（降低77.4%）、易提取球囊霉素相关土壤蛋白（EE-GRSP）含量（降低34.1%）以及β-葡萄糖苷酶（降低70.51%）和芳基硫酸酯酶（降低67.79%）活性显著降低。基于主成分分析-最小数据集（PCA-MDS）构建的土壤质量指数（SQI）在耕作下（0.18）显著低于次生林（0.68）。研究结论认为，传统耕作主要引起该有机土的化学和生物退化，而物理属性无显著变化，整合多维度指标对评估和管理有机土质量具有重要意义。

有机土（Histosol，富含有机质的土壤）虽仅占地球陆地面积约3%，却储存全球约30%的土壤碳库，在碳循环中具有关键作用。长期淹水和缺氧环境抑制有机质分解，使这类土壤积累大量有机碳。然而，排水和耕作等干扰会改变这些条件，加速有机质矿化，导致土壤酸化和碳损失。热带地区的高温可能进一步加剧这一过程。巴西的有机土（Organossolos）主要分布在南部和东南部，其中约50%用于农业或牧场。在里约热内卢州沿海平原，小农户利用沿海有机土进行农业生产，因此需要平衡其社会经济价值与碳保存等生态功能。目前关于农业影响有机土的研究多来自寒带和温带，热带有机土的整合研究仍然缺乏，尤其缺乏同时考察物理化学性质和多个生物组分的综合评估。

为此，研究人员在巴西里约热内卢州圣克鲁斯地区选择了一片酸性硫酸盐有机土（Sapric Thionic Histosol），对比长期传统耕作（种植木薯）与相邻再生次生林两种土地利用方式。研究的目标是评估这些土壤属性之间的差异，并基于最小数据集构建土壤质量指数（SQI），以集成反映土地利用对土壤质量的影响。该研究填补了热带有机土综合评估的空白，并为有机土可持续管理提供科学依据。

研究人员采用了以下主要技术方法：土壤采样在0–10 cm土层进行，每个土地利用系统设置4个复合样品。化学和物理属性按照标准方法测定，包括pH、交换性阳离子、有效磷、总有机碳（TOC）和碳储量等；物理属性包括容重和团聚体平均重量直径（MWD）。细菌群落通过16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序分析，使用DADA2流程获取ASV，并进行多样性和共现网络分析。大型土壤动物按热带土壤生物与肥力（TSBF）方法采集，人工分拣后计数和鉴定。丛枝菌根真菌（AMF）孢子采用湿筛-蔗糖离心法提取，易提取球囊霉素相关土壤蛋白（EE-GRSP）通过高压釜提取并用Bradford法定量。β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性分别采用p-硝基苯底物法测定。土壤质量指数通过主成分分析（PCA）选择最小数据集（MDS），然后采用评分函数计算物理、化学和生物子指数以及整体SQI。

### 3.1 土壤化学和物理性质

与次生林相比，传统耕作下的土壤pH（水和KCl）显著降低，交换性Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺和Na⁺浓度下降，而交换性Al³⁺和潜在酸度（H+Al）升高，有效磷也降低。土壤阳离子交换量（CEC）和盐基饱和度（V%）显著下降。TOC含量和碳储量分别降低17.9%和26.9%，但总氮和C/N比无显著差异。物理性质如容重、颗粒密度和MWD在两种土地利用间无显著差异，表明物理属性表现出较强的抵抗力。

### 3.2 细菌群落分类和功能多样性

基于Bray–Curtis距离的典范主坐标分析（CAP）显示细菌群落结构在两种土地利用间显著分离（F=6.58, p<0.001）。耕作土壤中细菌丰富度和Shannon多样性显著降低。在门水平，Chloroflexota在耕作土壤中富集，而Bacteroidota在次生林中更丰富。共现网络分析显示耕作土壤网络具有更多节点、边、平均度和网络密度，且负相互作用比例较低，表明胁迫环境下微生物间关联增强。功能预测显示耕作土壤富集TCA循环、硫同化和转化相关基因，而次生林富集碳固定、氮代谢和更广泛的硫代谢途径。

### 3.3 土壤大型动物

耕作处理的大型动物密度（169.6 个/m²）比次生林（556.8 个/m²）降低69.5%。描述性统计显示，耕作土壤的Shannon多样性指数（2.95）高于森林（1.94），但均匀度也较高。类群组成不同：耕作土壤以倍足纲、寡毛纲、唇足纲和蚁科为主，森林土壤以唇足纲和寡毛纲为主。

### 3.4 丛枝菌根真菌（AMF）和球囊霉素

AMF孢子密度在耕作下降低77.4%，EE-GRSP含量降低34.1%，表明耕作对真菌相关生物属性和土壤团聚相关蛋白产生负面影响。

### 3.5 酶活性

β-葡萄糖苷酶活性在耕作下降低70.51%，芳基硫酸酯酶活性降低67.79%，指示碳（C）和硫（S）循环相关的微生物功能受到抑制。

### 3.6 土壤质量指数（SQI）

PCA保留了10个指标用于MDS。耕作下物理、化学和生物子指数均显著低于次生林，整体SQI在耕作下为0.18，森林为0.68。在森林中，生物子指数贡献最大，而耕作下物理子指数贡献最大，但这主要由于化学和生物子指数大幅下降，而非物理质量提升。

讨论指出，传统耕作导致有机碳流失和土壤酸化，可能是由于有机质矿化和硫化物氧化共同作用。有机质的减少降低了CEC，使土壤更易发生养分耗竭。生物指标的响应与化学变化一致，细菌多样性和功能改变、大型动物减少、酶活性降低均表明耕作引起的生物退化。共现网络和功能预测进一步揭示了微生物群落的适应性重组。SQI将多维度信息整合，证实了化学和生物退化是土壤质量下降的主要驱动因素，而物理性质相对稳定。研究还指出，由于缺乏真菌群落组成数据，完整的群落水平响应评估受到限制。SQI应视为相对比较而非绝对度量。

研究结论翻译：传统农业利用导致土壤化学和生物性质发生显著变化，而物理性质无显著变化。土壤酸化、CEC降低、盐基和有效磷减少以及有机碳储量下降共同构成了化学退化模式。传统耕作显著改变了土壤细菌群落的结构和组成，细菌丰富度和多样性下降，群落发生明显更替。耕作土壤中Chloroflexota富集，而森林土壤中Bacteroidota更为丰富；细菌共现网络在耕作下显示出更高的连通性。功能预测显示不同土地利用系统具有不同的代谢谱系。这些微生物变化伴随着更广泛的生物衰退，包括寡毛纲丰度、AMF孢子密度、EE-GRSP和酶活性降低。整合的SQI在耕作下显著低于次生林，表明该有机土的质量下降主要与化学和生物退化有关，而物理属性表现出更大的持久性。这些发现强调了整合化学、物理和生物指标评估土地利用对有机土影响的价值，并支持采取维持有机投入、减少土壤扰动和保护生物功能的策略。