半干旱气候下牧场土壤结构变体的视觉评价：RangelandVESS的开发

《Soil Systems》：Visual Evaluation of Soil Structure Variant for Rangelands in a Semi-Arid Climate: Development of RangelandVESS

　　

本研究针对半干旱牧场中现有视觉方法（如土壤结构视觉评价（Visual Evaluation of Soil Structure, VESS）及其草地改良版（GrassVESS））受立地条件限制的问题，旨在开发并评价适用于墨西哥北部放牧牧场的改良视觉土壤结构评价方法（RangelandVESS）。研究在放牧区与围封区采集土壤，分别用VESS、GrassVESS与RangelandVESS评估结构，并将各方法得分与土壤健康指标及地上生物量（above-ground biomass, AGB）比较。结果显示围封区与过牧区土壤结构状况存在差异；RangelandVESS对退化更敏感，尤其在砂土中较另两法识别出的结构质量更差。RangelandVESS得分与容重（bulk density, BD）、入渗率及生物量显著相关，支持其稳健性；黏壤土中各法得分无显著差异，但RangelandVESS对退化的评估更可靠。结果表明RangelandVESS适于半干旱牧场土壤结构评价，且提升了对放牧诱导退化的检出能力。

研究背景与立项依据

牧场（rangelands）覆盖地球表面约50%，以低降雨、高蒸发（干旱指数<0.65）为特征，提供饲草及文化、支持与调节服务。过度放牧通过蹄压剪切导致土壤结构恶化，而结构退化是土壤健康的核心驱动因素。现有现场视觉方法VESS虽与实验室指标相关且在多气候带应用，但在草地受致密根垫层干扰；GrassVESS将其改良为分层评分，但未在半干旱牧场验证。半干旱牧场具石质Leptosol、浅层（<25 cm）、低植被覆盖与蹄压剪切形成的板状（platy）结构等独特动态，原有VESS体系对砂土中小团聚体退化不敏感。因此研究人员开展本研究，开发RangelandVESS并评价其与VESS、GrassVESS在墨西哥奇瓦瓦Teseachi实验牧场的表现，论文发表于《Soil Systems》。

主要技术方法

研究于2022年11月至2024年9月在墨西哥奇瓦瓦自治大学Teseachi实验牧场“Lajas”围封区（n=2区×3点）与过牧区（6围场×5点）采样。取5 cm深原状土测团聚体稳定性（计算平均重量直径MWD）、pH（1:2水土比）；现场测单环入渗与容重（BD，砾质土挖孔注水法）；挖取约10 cm顶层土块（因岩石限制仅评一层）分别由同一操作者用VESS、GrassVESS、RangelandVESS评分。RangelandVESS在VESS核心准则（破碎性、形态、孔隙、根系）上新增孔隙/根系/抗断强度分列、根向性（水平/垂直）、石片（rock fragments）纳入高分项，按质地分4类（黏壤）或3类（砂）Sq级。统计用Spearman相关与Kruskal–Wallis及Dunn事后检验（Holm校正），RStudio完成。

研究结果

3.1 土壤结构评价描述

围封区土块呈小圆粒状、AGB 40–100 g；近水源与过牧区显板状结构、根偏水平、团聚体块状（massive）亚角状、可见孔隙低；砂土劣级团聚体偏小但锐缘块状；Leptosol石片促裂并容根。

3.2 RangelandVESS、GrassVESS与VESS比较

黏壤土三法Sq无显著差异（χ2=0.018, p=0.99），围封区均判良好（Sq≤2），过牧区RangelandVESS展布Sq1–4，VESS仅Sq1–3，GrassVESS同Sq1–4但良级亦现放牧区。砂土三法差异显著（χ2=7.42, p=0.024），仅RangelandVESS与VESS pairwise显著（p=0.024）；12个砂土样中RangelandVESS判6个劣级（Sq3），VESS无劣级（最高Sq2），GrassVESS仅1个Sq3；RangelandVESS对砂土退化敏感度更高。

3.3 视觉评分与其他参数关系

RangelandVESS与VESS（r_s=0.62）、GrassVESS（r_s=0.76）相关；与BD正相关（r_s=0.56），与MWD（r_s=?0.35）、入渗（r_s=?0.72）、AGB（r_s=?0.77）负相关；VESS/GrassVESS除MWD外同向但较弱。表明Sq升高对应结构差、紧实、入渗低、植被受限。

讨论部分总结

RangelandVESS概念基础：半干旱低水增强内聚与内摩擦，使团聚体小于温带VESS描述（Sq4≤7 cm vs >10 cm），故重述Sq尺寸；牛蹄静压144–200 kPa、行走倍增，但过牧区大团聚体与BD增幅低于农田机械（达360 kPa），且Criollo牛轻体广食减应激；剪切致板状结构与根水平化自Sq3记入（VESS/GrassVESS自Sq4），根向性为新添。与定量指标关系：RangelandVESS–AGB最强（r_s=?0.76），BD正向、入渗/MWD负向，印证视觉法监测生产力价值。三法比较：黏壤无差异因共享易碎/角状特征，但RangelandVESS评分区间更内聚易判；砂土中VESS因尺寸宽（2 mm–10 cm）低估退化，RangelandVESS严判Sq3（>5 cm块状板状）更符低AGB高BD实际。

结论部分翻译

RangelandVESS能成功捕获半干旱放牧牧场土壤结构状况；其评判准则（尤团聚体尺寸）可对劣级土块更准分类，这由与关键土壤参数的更强相关性支撑。仍须多操作者与评价者间一致性分析进一步验证可重复性，并测试其区分不同牧场管理措施之能力。黏壤土三法虽无显著差异，建议在更干区域（水限更抑团聚尺寸）深入；奇瓦瓦沙漠为高畜牧高退化优先推广区；仅牧Criollo牛区亦应试用，轻牛+干旱或更好契合RangelandVESS特征。半干旱含水率影响团聚尺寸，气候与土地利用共同要求方法本地化，视觉评价非普适。