不同耕作强度与作物管理制度长期试验中粉质土壤团聚体稳定性的决定因素

《Soil and Tillage Research》：Determinants of soil aggregate stability in a long-term experiment under different tillage intensity and crop management systems

　　

研究人员基于25年长期田间试验，系统研究了不同耕作强度与作物管理制度下粉质土壤团聚体稳定性（aggregate stability, AS）的决定因素。结果表明：（1）耕作强度是粉质土壤团聚体稳定性的首要控制因素；（2）需五年免耕（no-till）方能达到稳定且较高的团聚体稳定性状态；（3）有机碳（organic carbon, OC）积累是团聚体稳定化的必要条件，但并非充分条件；（4）作物多样性与生物量输入仅在耕作减少时才能有效提升团聚体稳定性；（5）团聚体稳定性反映的是长期管理历史的累积效应，而非仅取决于采样前短期的管理实践。

**研究背景与意义**

土壤结构是土壤功能与生态系统服务（如水分调节、碳固存和抗侵蚀能力）的关键决定因素。团聚体稳定性（aggregate stability, AS）作为土壤物理质量和健康的重要指标，对管理措施响应敏感。粉质土壤因本征团聚能力弱、有机质含量低，对结皮、压实和侵蚀高度脆弱，其结构退化在欧洲农田及南美潘帕斯等温带农业区广泛存在。以往研究多聚焦单一措施（如减少耕作、有机施肥或覆盖作物）对AS的影响，但多种管理变量在种植制度中的累积与交互效应、根系活动和豆科功能群的作用、管理历史遗留效应等关键问题仍认识不足。为此，研究人员依托法国凡尔赛“La Cage”25年长期定位试验，对比常规（CON）、低投入（LI）、有机（ORG）与保护性农业（CA）四种种植制度，旨在量化粉质Luvisol土壤AS的长期演变规律，识别其主要决定因素。

**关键技术与方法**

研究基于INRAE-Versailles（法国，48°48′N，2°08′E）的“La Cage”长期试验（1998年始设），供试土壤为粉粒含量584 g kg^?1的Luvisol，四种种植制度均设两重复。AS依据Le Bissonnais（1996）方法测定，包含快速润湿（Slaking）、乙醇浸湿后搅拌（Cohesion）和慢速润湿（Micro-cracking）三种测试，以平均重量直径（MWD）表征；1999–2023年隔年春季（4月）采样共10个日期。同步测定3–5 mm团聚体有机碳（TOCagg）。管理指标采用碳输入、多样性指数（TD、CDI、Shannon）、作物序列强化指数（ICS）、累积作物数及禾本科/豆科比（G/L）；统计方法包括混合线性模型、Spearman相关分析和LASSO回归。

**研究结果**

**3.1 种植制度特征**：四种制度在耕作强度、作物多样性、土壤覆盖时长、生物量及氮投入上差异显著。CA的全期ICS最高（0.86），累积作物数40个，多样性指数和生物量投入均居首位；CON与LI累积作物数相同（29个）；ORG地上与地下生物量均最低。

**3.2 团聚体稳定性**：方差组分分析显示管理措施解释AS总变异的45%，采样日期仅占<2%。全期AS均值CA（≈1.5 mm）显著高于CON、LI和ORG（均≈0.5 mm）。CA约经6年免耕后由“中等”升至“稳定”等级，2013年达“很稳定”；而耕作处理长期处于“不稳定”状态，LI因间歇耕作呈现明显波动。三种测试中Slaking测值最低，Cohesion最高且年际变异最大。

**3.3 长期试验中有机碳动态**：TOCagg与全土有机碳（TOCbs）动态几乎一致，故以其代表分析。CA自2003年起TOCagg持续上升至2015年并于2023年再度升高；CON呈轻微下降趋势。TOCagg与AS显著正相关（r=0.63，P<0.001），与ΔAS中等相关（r=0.37，P=0.04）。

**3.4 团聚体稳定性与管理和气候的关系**：
**3.4.1 管理对AS与TOCagg的影响**：Spearman相关分析显示，较高ICS和累积作物数在CON与ORG中与AS负相关，而在CA中呈正相关；上年氮输入（TN prev.）在CON和LI中与AS及ΔAS正相关，CA中无显著关系。
**3.4.2 生物量输入的影响**：全处理合并时，地下部（BG）生物量与AS相关性最强，其次为总生物量和地上部（AG）；在CA与LI中呈正相关，但在耕作强度高的处理中该正效应消失甚至转负。
**3.4.3 植物多样性指数的影响**：10年尺度多样性指标与AS的相关性强于5年尺度；TD与CDI较Shannon指数更敏感；ORG处理呈现不规律的混合正负关联。
**3.4.4 AS测试与气候变量**：空气温度与AS无相关；采样前20–30天累计降水量与Cohesion、Micro-cracking及AS_mean正相关、与Slaking负相关，而临近采样日降水对AS及ΔAS产生不利影响。

**3.5 多种决定因素对AS测试结果的影响**：经LASSO变量筛选后的OLS模型中，Micro-cracking测试拟合最优（R²=0.675），AS_mean为0.643。长期AS主要受5年总多样性（TD 5y）和3年地下生物量（BG Biomass 3y）正调控、受5年G/L比负调控；短期ΔAS模型则由2年G/L比、上年氮输入及2年ICS驱动，无生物量变量入选。

**讨论总结**：本研究表明耕作强度与频率是粉质土壤AS的首要控制因素；SOC积累必要但不充分，TOC达约1.5%时AS明显改善，但土壤有机质不能抵消耕作破坏效应。根系、菌丝网络和微生物产物等生物过程是无扰动条件下稳定化的关键介导因子；作物多样性、生物量输入、氮管理与G/L比等次级驱动因子在不同时间尺度上作用各异——长期AS主要受累积多样性指标和地下生物量控制，短期AS变化则响应近期管理措施。降水对AS具双重影响：采样前20–30天适度降水通过激发根系分泌物和微生物活性促进团聚，临近采样日的降雨则因雨滴击溅和充气爆裂导致破坏。方法学上，Micro-cracking测试最适合诊断长期耕作高粉粒土壤的结构动态。

**研究结论**：本25年试验证明，在具有长期农业历史的粉质土壤中，耕作强度与频率是团聚体稳定性的首要控制因素。连续耕作导致稳定性持续偏低，而保护性农业在约六年不间断减少扰动后达到稳定的结构状态；间歇耕作即使平均强度中等，也阻碍长期结构恢复，凸显机械扰动对土壤结构的强烈持久影响。SOC积累对团聚体稳定化是必要的但不充分：尽管碳含量增加先于保护性农业下稳定性的改善，但土壤有机质本身不能抵消耕作的破坏效应，亦不能完全解释种植制度间的差异。与根系、真菌网络及微生物产物相关的生物过程可能是无扰动条件下稳定化的关键介导因子。耕作之外，种植强度、生物量输入、作物多样性与氮管理构成次级且条件性的驱动因子。长期AS主要与植物多样性和地下生物量的累积指标相关，短期AS变化则响应作物功能组成、氮输入、根系连续性和水分条件等近期管理因素。综上，减少土壤扰动是恢复脆弱粉质农业生态系统团聚体稳定性的首要步骤；作物多样化、保持活根与增加碳输入等配套措施仅在机械扰动最小化后发挥作用，凸显了长期、系统级土壤管理与监测的必要性。