《Journal of Soil and Water Conservation》：Assessment of the effects of conservation agriculture practices and land use on soil health: Comparing cropland versus prairie grasslands
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农田管理实践与土地利用决策影响土壤健康。然而，由于缺乏土壤健康的基准，测量土壤健康颇具挑战。在本研究中，研究人员以草原草地作为基准，评估保护性农业实践对土壤健康的影响。研究人员采用一套综合考虑生物学、物理学和化学性质的综合土壤健康评估工具，分析了来自南达科他州
农田管理实践与土地利用决策影响土壤健康。然而，由于缺乏土壤健康的基准，测量土壤健康颇具挑战。在本研究中，研究人员以草原草地作为基准，评估保护性农业实践对土壤健康的影响。研究人员采用一套综合考虑生物学、物理学和化学性质的综合土壤健康评估工具，分析了来自南达科他州东部原生草原、恢复草原以及采用常规与保护性管理实践的农田土壤样本。研究结果表明，原生草原表现出优越的土壤健康，尤其在生物学性质方面，甚至优于处于不同恢复阶段的草原。正如其他研究所显示，这些草原生态系统的土壤健康属性超过采用常规与保护性管理两种实践的农田。恢复草原的土壤健康属性介于原生草原与采用保护性实践的农田之间。本研究凸显了原生草原作为土壤健康基准的潜力，可用于考察保护性实践与恢复措施对土壤健康的影响。挑战在于寻找足够完整的原生草原以建立这一土壤健康基准。
论文解读文章
一、研究背景与问题
土壤是一种独特且有限的资源，对人类生存至关重要。土壤是农业生产系统活力的基础，并为清洁空气和水源、生物多样性、休闲价值、碳（C）固存、养分调控与吸收等关键生态系统服务提供支撑。有证据表明，许多古代文明因对其所依赖土壤的管理不善而崩溃或迁移。全球约23%的陆地面积受到土壤退化影响，近期估算显示肥沃土壤正以每年240亿吨的速度流失。土地利用变化与集约化农业生产实践显著导致土壤退化、土壤侵蚀和土壤健康下降。在全球粮食需求随人口增长和富裕程度提高而持续上升的同时，全球人均耕地面积预计将从1961年的0.37公顷降至2050年的0.17公顷。因此，保护土壤并恢复其健康与功能对保障全球粮食生产和农业系统的长期可持续性至关重要。
土壤健康的概念由土壤质量评估演变而来，整合了土壤的物理、化学和生物学功能。土壤健康被定义为土壤作为维持植物、动物和人类生存的关键生命生态系统持续发挥功能的能力。然而，测量土壤健康面临挑战，因为缺乏广泛接受的基准。此外，利用农田样本和草原草地样本比较和对比与土地利用及管理实践相关的土壤健康属性的研究尚显不足。因此，本研究旨在实现两个目标：一是比较和对比原生及恢复草原草地与采用常规耕作和保护性管理实践的农田之间的土壤健康属性；二是评估土壤保护管理实践和土地利用对土壤健康的有效性。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员在南达科他州东部采集了来自农田以及原生和恢复草原的土壤样本，共纳入20个原生草原样点和60个大田作物生产者农田样点，其中10个为恢复草原样点，10个为未受干扰草原样点。60个大田作物农田中，52个被归类为保护性农田，采用覆盖作物、多样化轮作和保护性耕作/免耕中的一种或多种保护性实践；8个未采用任何这些保护性实践的农田被归类为常规农田。土壤样本在春季采集，即在农田进行任何耕作或种植之前。样本采集遵循康奈尔大学土壤健康实验室提供的土壤采样方案，穿透计读数在0至15.24厘米和15至45.72厘米深度处获取以确定土壤压实度。土壤样本被送往康奈尔大学土壤健康实验室进行综合土壤健康评估（CASH）测试。对于土壤微生物组分析，微样本被储存于-80°C直至用于总DNA分离和测序，采用鸟枪法宏基因组测序，使用Kraken 2进行物种分类学分析。统计分析采用主成分分析（PCA）和双因素方差分析（ANOVA），并控制土壤质地因素。
三、研究结果
管理实践与土壤健康
PCA图显示管理实践之间存在统计学显著差异。常规农田土壤的聚类最紧密，而原生草原的变异最大。保护性和常规管理样点的土壤表现出显著重叠，表明土壤特征相似。相比之下，原生草原和恢复草原样点的土壤沿PC1表现出明显聚类。PC1解释了大部分变异，区分了原生草原和恢复草原样点以及保护性和常规管理样点。有机质、活性碳（C）和ACE土壤蛋白指数等生物学性质与PC1强烈相关，表明生物学功能在区分以草原为基础的管理系统与常规和保护性样点方面发挥重要作用。表面硬度和地下硬度与PC1呈负相关，表明草原系统以改善的土壤结构和减少的压实为特征。PC2根据土壤养分性质提供了管理类型间的额外分离，磷（P）、钾（K）、镁（Mg）和锌（Zn）主要与PC2相关。
管理实践与生物学性质
原生草原土壤具有最高的活性碳含量（平均值=6.94%），其次是恢复草原（平均值=4.26%）、保护性（平均值=3.81%）和常规（平均值=3.08%），ANOVA结果显示管理/土地利用类别间存在统计学显著差异。原生草原最高的有机质含量强调了自然生态系统在维持土壤健康方面的重要性，并凸显了原生、未受干扰草原作为健康土壤基准的价值。恢复草原的有机质含量低于原生/未受干扰草原但高于保护性，表明草原恢复努力增加了土壤有机质但需要时间达到原生状态。常规土壤样本的有机质含量最低，表明常规耕作可能因有机质减少而导致长期土壤退化。保护性土壤的有机质含量中等偏高，表明保护性实践有助于保持土壤有机质。
原生草原土壤具有最高的ACE土壤蛋白值（平均值=8.60毫克），其次是恢复草原（平均值=7.03毫克）、保护性（平均值=5.88毫克）和常规（平均值=4.90毫克），差异具有统计学显著性。原生草原最高的土壤蛋白值表明其土壤微生物活性和氮（N）循环最为活跃。恢复草原的土壤蛋白值低于原生草原但高于保护性，表明草原恢复努力增强了土壤微生物活性和氮循环但需时间达到原生条件。常规土壤样本的土壤蛋白值最低，表明常规耕作可能因土壤微生物活性降低而导致长期土壤退化。
原生草原土壤具有最高的呼吸速率（平均值=1.70毫克），其次是恢复草原（平均值=1.19毫克）、常规（平均值=0.65毫克）和保护性（平均值=0.54毫克），差异具有统计学显著性。原生草原最高的土壤呼吸表明其微生物群落代谢活动最为旺盛。恢复草原的呼吸速率低于原生草原但高于常规和保护性，表明草原恢复努力增强了土壤微生物活性和碳循环。常规管理的呼吸速率中等偏高可能是因为土壤扰动后微生物对有机质的分解增强，较高的呼吸速率也可能源于耕作导致的土壤有机质快速分解，长期可能导致碳损失。保护性管理的最低呼吸速率出乎意料，可能表明微生物活性较慢或易分解有机物质较少。
原生草原土壤具有最高的活性碳含量（平均值=1,002.98 ppm），其次是恢复草原（平均值=734.94 ppm）、保护性（平均值=683.82 ppm）和常规（平均值=603.96 ppm），差异具有统计学显著性。这些结果与土壤有机质和土壤蛋白的结果相似，强调了恢复努力和保护性实践在改善和维持土壤健康方面的重要性。
管理实践与物理性质
原生草原土壤具有最高的团聚体稳定性（平均值=60.03%），其次是恢复草原（平均值=44.96%）、保护性（平均值=33.62%）和常规（平均值=24.80%），差异具有统计学显著性。原生草原最高的团聚体稳定性凸显了结构良好、未受干扰的土壤。原生草原的自然植物多样性增强了根系对土壤颗粒的绑定，最小干扰保持了长期土壤结构。恢复草原的中等团聚体稳定性表明草原恢复努力增强了团聚体稳定性但需要长期策略达到原生条件。保护性土壤相对于常规土壤更高的团聚体稳定性表明保护性实践改善了土壤结构并可缓解土壤退化，但尚不能达到草原条件。常规土壤样本最低的团聚体稳定性表明常规耕作可能导致长期土壤退化和侵蚀风险。
预测可用水容量在各管理/土地利用类型间的平均值大致相当，但双因素ANOVA结果显示在控制土壤质地后预测水容量存在统计学显著差异。表面硬度和地下硬度在各管理/土地利用类别间无统计学显著差异。
管理实践与化学性质
根据双因素ANOVA，在考虑土壤质地后，大多数化学性质包括可提取磷（P）、钾（K）、镁（Mg）和铁（Fe）在各管理/土地利用实践间无统计学显著差异。在化学性质中，ANOVA结果显示锌（Zn）和锰（Mn）水平在各管理/土地利用类别间存在统计学显著差异。
四、讨论与结论
研究结果表明，原生草原在生物学性质方面表现出最高的土壤有机质、土壤蛋白、呼吸速率和活性碳水平。恢复草原表现出中间值，表明恢复努力增强了土壤健康但需要长期策略达到原生条件。保护性实践相对于常规耕作增强了土壤健康。在物理性质方面，原生草原具有最高的团聚体稳定性，其次是恢复草原、保护性农田和常规农田，表明保护性实践改善了土壤结构但尚不能匹配未受干扰草原的条件。研究未发现大多数化学性质在各管理类别间存在统计学显著差异，除锌（Zn）和锰（Mn）外。
研究发现表明，原生草原可以作为健康土壤的基准，展现出优于农田的土壤健康属性。研究还表明，恢复努力改善了土壤健康但需要时间达到与原生、未受干扰草原相同的土壤健康水平。研究结果证明保护性实践相对于常规耕作增强了土壤健康。本研究凸显了保护性实践和恢复努力在改善土壤健康方面的关键作用，并为旨在恢复和维持土壤健康的土地管理提供了信息。
本研究存在局限性。首先，分析基于单一生长季节，限制了对土壤健康指标年际变异的推断。未来研究可采用纵向数据评估管理实践和采用保护性实践年限对土壤健康的影响。未来研究也可在管理实践中采用固定土壤类型的样点进行采样。
