32年长期耕作制度对巴拉圭农业生态系统土壤有机质动态、组分与土壤健康指标的调控

《Climate Smart Agriculture》：Long-term cropping systems shape soil organic matter dynamics and related soil indicators in a Paraguayan agroecosystem

　　

长期耕作制度塑造巴拉圭农业生态系统中的土壤有机质（soil organic matter, SOM）动态及相关土壤指标；在巴拉圭32年田间管理后评估了5种耕作制度；0–10 cm土层免耕（no-tillage, NT）的碳（C）和氮（N）储量分别比常规耕作（conventional tillage, CT）高≥30%和36%；0–30 cm土层NT的C和N储量分别比CT高22%和17%；多样化NT提高了氮和矿物结合态碳（mineral-associated carbon）储量；较高的SOM与更好的土壤健康指标相关。

研究背景方面，气候变化与土壤退化共同威胁农业可持续性，SOM因影响养分循环、水分调节、结构稳定性、生物活性和碳储存而成为兼顾固碳与土壤健康的关键抓手。保护性农业尤其是免耕（no-tillage, NT）结合永久土壤覆盖和多样化轮作被寄望于增加SOM，但不同区域SOM响应差异大，受管理措施与气候土壤条件交互影响。巴拉圭免耕在谷物生产中广泛采用，但多样化轮作和覆盖作物有限，常规耕作（conventional tillage, CT；翻耕后圆盘耙）仍存在，且低投入、酸度未校正和施肥不足较普遍；该国田间尺度土壤C研究稀缺，尚缺乏对SOM数量、功能组分、同位素组成及其与土壤健康指标关系的综合长期评估。为此，研究人员利用巴拉圭32年长期田间试验，比较从CT、少耕（reduced tillage, RT）到不同多样化NT的5种主要耕作制度，测定C、N含量与储量、颗粒态有机质（particulate organic matter, POM；>53 μm，较近期植物来源、周转较快）和矿物结合态有机质（mineral-associated organic matter, MAOM；<53 μm，经微生物加工并与矿物表面结合、较稳定）中的C、N储量、δ¹³C和δ¹⁵N、相对CT的年累积率及与物理、化学、生物土壤健康指标的关系。研究结论表明，长期NT较CT保持更高C、N储量并提高MAOM中C、N储存，多样化NT尤其提高N储量和MAOM-C、MAOM-N；更高SOM与更有利的养分、团聚体和酶活性指标相关联，说明长期NT尤其结合多样化轮作可增强SOM持久性和土壤健康。

关键技术方法概括（≤250字）：研究基于巴拉圭Capitán Miranda研究站Instituto Paraguayo de Tecnología Agraria（IPTA）长期试验，1991年建立，2023年采样，土壤为Oxisol，随机完全区组设计3重复、15个20×8 m小区；5种系统为CT、RT、NT1、NT2、NT3，后三者轮作多样化递增。分层采集0–10、10–20、20–30 cm土壤，按等效土壤质量（equivalent soil mass；消除容重差异）计算C、N储量；物理分组获得POM和MAOM；用元素分析–同位素比值质谱（EA–IRMS）测定总C、N及δ¹³C、δ¹⁵N；测定13项物理、化学和生物土壤健康指标；采用方差分析、Duncan检验、冗余分析（redundancy analysis, RDA）、PERMANOVA、Pearson相关和线性回归分析。

结果部分：3.1 耕作制度对土壤C和N的影响。通过32年田间比较和分层测定发现，0–10 cm土层NT系统C、N含量高于CT，C由CT的9.3 g kg^?1升至NT2和NT3约13 g kg^?1，N在NT3最高（1.55 g kg^?1）；C/N比在各层系统间相近；δ¹³C和δ¹⁵N随深度富集，但系统间多不显著，NT3的δ¹³C呈数值偏高。0–10 cm所有NT的C储量至少比CT高30%，0–30 cm NT2的C储量至少比CT高22%，年C累积率为0.04–0.25 Mg ha^?1 yr^?1；0–10 cm NT3的N储量2.14 Mg ha^?1，比CT高36%、比RT高16%，0–30 cm NT3的N储量比CT高17%，年N累积率为0.008–0.022 Mg ha^?1 yr^?1。3.2 耕作制度对SOM组分及同位素组成的影响。通过物理分组和EA–IRMS发现，POM-C、POM-N在NT2和NT3呈较高趋势但系统间不显著；MAOM-C、MAOM-N远高于POM，且MAOM优势随深度增强。0–10 cm MAOM-C和MAOM-N受系统显著影响，NT3最高，MAOM-C由CT的12.45升至15.35 Mg ha^?1（+23%），MAOM-N由1.47升至1.84 Mg ha^?1（+25%）；MAOM占0–10 cm总C >82%、深层 >90%。POM的δ¹³C低于MAOM和全土，POM的δ¹⁵N低于全土和MAOM；δ¹⁵N随深度富集，POM δ¹⁵N的系统差异具层次特异性，δ¹³C–δ¹⁵N关系中全土和MAOM部分重叠且显著、POM分离且不显著，说明系统对同位素组成影响较弱。3.3 SOM参数与土壤健康指标的关系。通过RDA、PERMANOVA、相关和回归发现，RDA前两轴解释68.4%变异，CT与其他系统分离，CT与较小团聚体关联，NT与SOM变量及化学、生物、结构指标关联；总N对RDA贡献最大（20.1%），其次总C（14.4%）、POM-C（12.5%）和POM-N（12.2%）。有效磷、pH、Ca、Mg与C、N、POM、MAOM多呈正相关（r=0.56–0.89），β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase, BG）与6个SOM变量正相关（r=0.68–0.80）；总C、N与K、>2 mm团聚体和平均重量直径（mean weight diameter, MWD）正相关，与较小团聚体负相关；K与MAOM-C、MAOM-N相关性最强（r=0.78）。回归显示C储量与有效磷（R²=0.63）、盐基总和（R²=0.52）、>2 mm团聚体、MWD和BG（R²=0.33–0.34）显著正相关，与芳基硫酸酯酶（arylsulfatase, ARS）不显著（R²=0.11），且关系主要在表层。

讨论与结论总结：原文讨论认为，长期SOM动态受土壤扰动和作物序列多样化共同调控。NT较高C、N保持与减少团聚体周转、物理保护、微生物加工和矿物结合相关，并与>2 mm团聚体和MWD正相关；黏粒丰富Oxisol中黏粒及Fe、Al相可提供反应表面，但原文未直接测定矿物学和Fe、Al相。MAOM随深度下降小于POM，反映深层新鲜C输入较少和矿物结合更重要。多样化未一致提高总C，因其主要为时间尺度轮作多样化而非同季多作物或混合，且有效C输入未量化；NT1施肥较多可能补偿其C输入，低有效磷和未校正酸度亦可能限制。NT3的总N和MAOM-C、MAOM-N响应最明显，与覆盖作物残体质量、根系多样性及毛苕子生物固氮和富N残体有关。同位素仅部分支持假设：全土δ¹³C、δ¹⁵N系统间不显著，NT3 δ¹³C偏正可能反映C4玉米输入但不能量化；POM贫化符合近期植物来源，MAOM富集符合微生物加工和矿物结合。土壤健康方面，SOM与养分有效性、大团聚体、团聚体稳定性和BG活性协同，POM偏动态养分释放、MAOM偏保留；K与MAOM强关联但不意味着其结构掺入MAOM。C储量可整合化学、结构和生物指标，ARS不显著说明关系具功能特异性。实践上，NT较CT维持更高C、N并关联更好指标，但单靠NT不足以最大化SOM；32年未施石灰和石膏且pH<5.5，结果可能偏保守。未来需评估更高生物量、深根、连续覆盖和基于测土施肥与酸度管理的功能多样化。

研究结论翻译：这项32年田间研究提供了长期证据，表明耕作制度管理对巴拉圭农业生态系统中的SOM动态起决定性作用。NT下较高的C和N储量及其在MAOM中更高的代表性表明，减少土壤扰动有利于SOM积累及其潜在持久性。作物多样化进一步促进了这些响应，尤其通过提高N储量及增强MAOM中C和N储存，最多样化NT响应最明显。稳定同位素格局通过显示SOM库间组成差异及随深度变化补充了这些发现。除SOM积累本身外，与养分有效性、大团聚体、团聚体稳定性和BG活性的一致关联表明，较高SOM库与改善的化学、结构和生物土壤功能密切相关。总体而言，这些发现表明长期NT尤其结合多样化作物轮作，是增强巴拉圭SOM持久性和土壤健康的稳健策略；改善作物多样化和肥力管理可能进一步增强这些效益，并支持更可持续的气候智能型农业。