基于专家启发式调查的土壤健康-水文-农业生态系统服务关联研究

《Journal of Soil and Water Conservation》：Linking soil health, hydrology, and agroecosystem services through expert elicitation

　　

农业土壤健康管理实践，如覆盖作物（cover crops）、减少耕作（reduced tillage）和多样化作物轮作（diverse crop rotations），正日益普及。然而，这些实践在实现提高作物产量和改善水质等农业生态系统服务目标方面的报道效果并不一致。在本研究中，研究人员对386位具备北美农业系统专业知识的研究人员和利益相关者进行了一项调查，询问其对土壤健康管理实践对水文（hydrology）的影响以及水文过程在调节不同实践对农业生态系统服务影响中作用的认知。研究发现（按重要性排序），覆盖作物、减少耕作和多样化作物轮作被视为最重要的土壤健康实践，总体上具有积极的农学与环境结果，但存在显著的区域差异。受访者大多（尽管并非普遍）在方向上与已发表文献中关于这些实践对土壤水文属性和产量等结果的影响一致，但调查响应的变异性低于文献。专家认为，水文与景观因素，尤其是土壤质地（soil texture）和土壤排水状况（soil drainage status），是控制土壤健康实践实现农业生态系统服务目标能力的重要因素。此外，受访者认为，土壤健康管理对养分损失、灌溉需求和产量等结果的水文介导影响比单纯实践带来的直接影响更为普遍。这些专家意见表明，有效的土壤健康管理策略应以期望的农业生态系统结果为导向，而水文、景观和土壤条件为针对性地实施这些实践提供了视角。

**论文解读：联结土壤健康、水文与农业生态系统服务的专家启发式调查**

土壤健康（soil health）管理实践如覆盖作物、减少耕作和多样化轮作在北美农业景观中日益普及，但现有研究多基于点位试验，结论常受农业背景差异影响，且已报道的实践效果并不一致。同时，水文过程在土壤健康实践与农业生态系统服务（agroecosystem services，指农业系统提供的供给、调节与支持服务）之间的中介作用常被简化或忽略。为弥合现有证据基础与社会对可预测性指导需求之间的错位，研究人员对386位北美农业系统专家（包括研究人员和利益相关者）开展专家启发式调查（expert elicitation），系统收集土壤健康-水文双向反馈的感知知识，并回答哪些土壤健康管理实践影响最大、水文过程如何介导这些影响两个核心问题。这一研究为以目标为导向、由水文与景观条件引导的土壤健康策略制定提供了新视角。

研究方法方面，研究人员采用在线问卷形式，于2025年1—3月向六个研究和利益相关者群体分发调查问卷，回收可用响应386份；调查对象覆盖北美多个区域、多种种植制度及雨养/灌溉条件。数据分析采用卡方检验、标准化残差和Kruskal-Wallis检验识别实践选择与区域差异；将调查响应与33篇已发表荟萃分析（meta-analysis）或跨区域研究中的80个数据点进行定量对比；并构建28个广义结构方程模型（generalized structural equation model, GSEM），将土壤水储存、入渗、蒸散发和径流作为水文潜变量，区分土壤健康实践对氮（N）、磷（P）损失、作物产量和灌溉需求的直接效应与水文介导效应。

**调查响应概况**：584人开始问卷，225人完成，经排除非北美农业系统及仅填写背景信息者后，共386份可用响应。多数响应来自水土保持区工作人员和相关研究发表人员；受访者以谷物种植系统和雨养管理为主，区域覆盖北美主要农业区。

**土壤健康管理系统实践选择**：覆盖作物（90.7%）、保护性耕作（86.0%）和多样化轮作（82.9%）是最常被选择的实践；保护性耕作和覆盖作物也最常被列为最重要实践。但实践选择存在显著区域差异，例如西南/山区对覆盖作物和保护性耕作选择比例较低，玉米带更常选择多样化轮作、覆盖作物和4R养分管理计划。

**土壤健康管理实践对水文过程的影响**：受访者普遍预期土壤健康实践会改善所有水文、农学与环境结果；全部所选实践组合的平均预期改善幅度为产量8.7%至土壤持水能力15.1%。仅实施最重要单项实践时，预期变化方向一致但幅度较小。覆盖作物对入渗率、径流、氮磷损失和持水能力的改善感知最强；有机养分来源的响应最为混合。

**水文过程对管理实践影响农业生态系统服务的介导作用**：土壤质地（56.9%认为有强影响）和土壤排水状况（53.7%）被认为是影响土壤健康实践达成目标的最重要因素，其后为田间位置、流域位置和水位埋深。GSEM分析显示，实践对结果的直接路径在28个模型中仅7个显著（25%），而水文储存对结果的影响在19个模型中显著（68%），且水文储存与N损失、P损失和灌溉需求负相关，与产量正相关但未达显著。这表明受访者感知的水文介导影响比实践本身的直接影响更为普遍。

**土壤健康实践的广泛感知效益**：多种实践组合被认为比单一实践产生更大效益，但专家认为从覆盖作物或减少耕作等单一常见实践入手，可获得全部实践组合效益的相当大比例，可作为土壤健康管理的有效切入点。

**调查响应与已发表文献的比较**：调查响应与文献方向总体一致，但变异性更小。土壤碳对覆盖作物、保护性耕作和有机养分的响应，覆盖作物和有机养分对硝态氮（NO₃^–）损失、覆盖作物对产量、保护性耕作/覆盖作物/有机养分对土壤持水能力的响应等一致性最好；保护性耕作对N损失和产量、轮作对土壤碳、以及入渗率等方面的分歧较大。

**水文与景观因素的介导作用**：水文和景观条件被普遍视为控制土壤健康实践成效的关键因素；水位埋深、景观位置和田间位置等因常未纳入传统小区试验，其影响可能被低估，但已有文献支持其重要介导作用。

**水文、景观和土壤条件作为土壤健康实践实施指南的视角**：研究提出以期望的农业生态系统服务目标为起点，将水文、景观和土壤条件作为靶向实施土壤健康实践透镜的分层框架，可应用于农场、流域、管理区、区域等多种尺度，并结合定点评估和适应性管理持续优化策略。

**研究局限性**：调查未专门面向农民和推广人员（但有20位农民和33位推广人员响应）；受访者以谷物作物为主；夏威夷、阿拉斯加和波多黎各响应数量较少；单值回答难以体现点位背景；部分分发群体响应率较低。

讨论部分指出，土壤健康管理没有“一刀切”方案，应根据期望的农业生态系统服务结果和当地水文、景观与土壤条件进行策略设计；未来需开展从田间到流域尺度的整合研究，加强地下水文变量观测，并利用环境模型和可操作建议推动实践。结论：研究人员通过专家调查综合了北美农业系统中土壤健康实践与水文过程之间双向反馈的专家知识。结果表明，土壤健康实践被广泛认为可带来多种水文、农学与环境效益，并存在区域化实践组合；多项实践叠加被认为优于单项实践，但单项入门实践可获得可观的预期效益；调查响应与文献方向总体一致但变异性更小；水文因素被认为是实现目标的重要介导因素，水文储存对预期结果的作用比实践本身更为显著。由此提出分层框架：从农场到区域的目标评估出发，基于水文和景观条件识别最大潜在影响区域，结合点位评估优先实施实践，并制定有效的运营管理策略。