热带几内亚稀树草原农生态系统中不同土地利用及免耕保护时间序列下的土壤碳氮库与土壤健康

《Plant-Environment Interactions》：Soil Carbon–Nitrogen Pools and Soil Health Across Contrasting Land Uses and a No-Till Conservation Chronosequence in a Tropical Guinea Savanna Agroecosystem

　　

土壤碳氮库是土壤健康的核心，但在热带农生态系统中，其对以保护为导向的管理措施的响应仍缺乏充分量化。本研究评估了尼日利亚西南部热带几内亚稀树草原铁质淋溶土(Ferric Luvisol)下常规管理耕地(CMA)、建立2、4、7和10年的免耕(NT2、NT4、NT7和NT10)保护系统及天然林地(NFL)的土壤碳氮库、储量及土壤健康指标。在0–5 cm和5–10 cm深度采集土壤样品，分析碳氮组分、储量、物理属性、水分调节指标及化学肥力属性。总有机碳(TOC)在不同土地利用系统和深度间为4.7至11.2 g kg?1，总氮(TN)为0.3至3.7 g kg?1。在NT2–NT10时间序列内，0–5 cm和5–10 cm层总氮分别以0.24和0.38 g kg?1 year?1增加，氮储量分别以0.09和0.17 Mg ha?1 yr?1增加。表层碳储量随免耕年限以0.21 Mg ha?1 year?1增加。较长免耕年限与较高团聚体稳定性相关，0–5 cm和5–10 cm层分别以0.68和0.83 percentage units year?1增加。土壤pH分别以0.15和0.13 units year?1增加，阳离子交换量(CEC)在两深度均以约0.46 cmolc kg?1 year?1增加。相反，淋失潜力在0–5 cm和5–10 cm层分别以0.98和1.29 percentage units year?1下降。综合土壤健康评分在表层从NT2的19.6增至NT10的82.6，NT10在5–10 cm层也得分最高。这些发现表明持续的免耕(NT)保护管理可改善土壤碳氮状况、养分保持、水分调节及整体土壤健康。然而，观察到的响应反映了减少扰动、有机投入、覆盖、多年生作物覆盖和灌溉的综合效应，而非仅免耕本身的作用。

研究背景方面，土壤健康是可持续农业与生态系统管理的核心，塑造生产力、韧性与环境质量。土壤有机碳(SOC)和氮库因直接调控土壤结构、养分有效性和生物活性而成为评估土壤健康的关键指标，且对土地利用和管理历史高度敏感。在西非，自然生态系统广泛转为农田导致土壤碳氮储备显著下降，与传统耕作加速有机质矿化、破坏土壤团聚体有关。免耕(NT)农业作为潜在替代方案，可通过减少扰动和增强残茬滞留改善土壤健康，但其效益随时间发展的证据在几内亚稀树草原等中生生态区仍有限。因此，研究人员在尼日利亚伊巴丹的热带几内亚稀树草原铁质淋溶土(Ferric Luvisol)中，对比常规管理耕地(CMA)、不同年限免耕系统(NT2、NT4、NT7、NT10)及作为参照的天然林地(NFL)，评估土地利用和系统持续时间对土壤碳氮库及土壤健康指标的影响，以明确长期免耕保护管理在热带农生态系统中的作用，该研究发表于《Plant-Environment Interactions》。

为开展研究，研究人员采用空间代时间的时间序列(chronosequence)方法，选取邻近且土壤特征相似的独立田块构成NT2至NT10及CMA、NFL等土地利用类型；于2025年1月在0–5 cm和5–10 cm深度采用Y型架抽样法采集复合土壤样品；测定时需注明样本队列来源于尼日利亚伊巴丹IITA校园内不同建立年份的香蕉试验田及相邻常规耕地与1967年以来受保护的次生林；分析包括土壤有机碳组分湿筛分离与Walkley-Black法测定、凯氏定氮、容重用环刀法、团聚体稳定性、pH、电导率、有效磷、阳离子交换量(CEC)、水分特征等指标；数据统计采用R语言进行区组调整线性模型、时间序列斜率估计、最小-最大归一化计算综合土壤健康评分及主成分分析(PCA)。

研究结果部分，首先是土壤碳氮库与储量。土壤碳氮库随土地利用系统和深度变化，TOC在0–5 cm层各系统间差异较小，5–10 cm层CMA最低、NFL最高；TN在0–5 cm层从NT2的1.15 g kg^?1增至NT10的3.73 g kg^?1，5–10 cm层亦以NT10最高；时间序列分析显示TN在两层分别以0.24和0.38 g kg^?1 year^?1显著增加，TOC在5–10 cm层以0.30 g kg^?1 year^?1增加；总颗粒有机碳(POCt)在0–5 cm层以CMA和NFL最高，NT10次之，5–10 cm层以NFL最高；碳储量在0–5 cm层以NT7和NT10最高，氮储量为NT10最高且在两层分别以0.09和0.17 Mg ha^?1 yr^?1随免耕年限增加。

其次是土壤健康指标的多变量关系。前两个主成分(PCA)解释了71.82%的总变异，维度1主要代表CEC、pH、有效磷、团聚体稳定性、黏粒和粉粒的土壤肥力与结构梯度，维度2主要反映饱和导水率、砂粒和永久萎蔫点的水力与物理指标变异；相关矩阵显示CEC、有效磷、pH、团聚体稳定性、黏粒和粉粒呈强正相关，饱和导水率与砂粒正相关、与有效持水量负相关。

接着是土壤物理与水分调节指标。团聚体稳定性在NT10最高，两层分别以0.68和0.83% year^?1随免耕年限显著增加；容重在0–5 cm层以NT2最高、NFL最低；有效持水量和田间持水量在NT7和NT10最高；淋失潜力以NT7和NT10较低，两层分别以0.98和1.29% year^?1随免耕年限下降。

然后是土壤化学肥力指标。pH总体以免耕系统高于CMA和NFL，NT10最高且两层分别以0.15和0.13 units year^?1增加；电导率在0–5 cm层以NT2最低，5–10 cm层以CMA最高；有效磷在0–5 cm层以NT10最高，随免耕年限以2.44 mg kg^?1 year^?1增加；CEC以NT10最高，尤其5–10 cm层。

最后是综合土壤健康评分。0–5 cm层NT10评分从NT2的19.6升至82.6，NT7在水调节指标亦高；5–10 cm层NT7、NT10和NFL较高，CMA、NT2和NT4较低；较长免耕年限系统在表层分离更明显。

讨论部分总结，研究人员指出碳氮动态中TN比TOC在时间序列中响应更一致，长期免耕结合有机投入促进氮保持；有机matter组分显示耕作系统高颗粒有机碳(POC)为动态易分解库，免耕下随年限增加表明活性库重建，非颗粒有机碳(nPOC)和氮在长免耕和林地更高反映稳定库贡献。结构与水分调节中团聚体稳定性在NT10最高，容重未同步下降因早期无机械疏松但生物孔隙尚在发育，NT7和NT10水分调节改善源于有机质与团聚体提升，淋失潜力降低关联养分保持。化学肥力中NT10较高pH源于有机改良剂缓冲与残茬归还碱基，有效磷与CEC增加反映养分输入与有机质提升交换位点。综合评分显示NT10和NT7最优，短期NT2未全面改善，森林为参照但不完全一致，长期免耕为综合管理而非仅免耕本身。PCA证实结构、水分与养分保留的联动机制。

结论部分翻译为：研究人员的发现支持如下假设，即较长期免耕系统相比常规管理耕地和较短免耕系统，与改善的土壤碳氮状况及土壤功能指标相关。最强响应见于NT7和NT10，特别是总氮、氮储量、碳储量、团聚体稳定性、有效持水量、田间持水量、pH、有效磷、阳离子交换量和综合土壤健康评分。这些改善表明持续的有机投入、地表覆盖、减少扰动及多年生作物管理可逐步增强高度风化热带土壤的养分保持、水分调节和结构稳定性。并非所有指标响应均一，表明土壤恢复经多途径进行，氮富集及土壤理化功能改善比部分碳组分更明显。天然林地提供重要参照，但较长免耕系统并未简单复制森林土壤条件，而是代表独特的管理保护系统，其中粪肥投入、覆盖、残茬覆盖、灌溉和减少扰动共同改善选定土壤功能。因此，观察到的是免耕保护管理的系统级响应而非仅免耕孤立效应。总体而言，研究证明持续保护导向管理可重建热带农生态系统土壤健康关键组分，尤表层及近表层；结果强调长期实施免耕系统作为恢复土壤功能、改善养分保持和增强退化或集约热带农地韧性的重要性。