基于禾本科作物的棉花生产系统多样化改善热带砂质土壤的土壤健康与多功能性平衡

《Journal of Environmental Management》：Grass-based diversification of cotton production systems improves soil health and multifunctionality balance in tropical sandy soils

　　

作物多样化广泛用于农业生态系统以改善土壤健康并维持粮食和纤维生产，同时保护环境。然而，在巴西稀树草原（Brazilian savannah）这一以砂质土壤为特征的主要棉花产区，其效益仍鲜有文献记载。本研究评估了长期（即12年）作物多样化对巴西稀树草原砂质土壤上棉花种植系统土壤多功能性的影响。评估了五种种植系统：常规耕作（CT）下的棉花单作（对照）、CT下的谷子-棉花轮作，以及免耕下的三种轮作：禾本科、豆科和草本科。评估了14个指标以代表五种土壤功能：养分供应、水分调节与通气、植物生长支持、侵蚀控制以及碳固存与循环。使用土壤健康指数（SHI）和功能间的变异系数评估土壤多功能性。使用土壤健康相互作用功能趋势（SHIFT）方法解释其相互作用。用禾本科覆盖作物使棉花生产多样化比使用豆科覆盖作物更有效地改善土壤健康。包含覆盖作物的种植系统相对于仅依赖经济作物的系统，土壤功能平衡提高了38%。与单独使用土壤健康指数相比，SHIFT方法提高了对种植系统对土壤多功能性影响的理解。根据SHIFT，谷子-棉花和草本科轮作被归类为健康且平衡，而单作被归类为不健康且不平衡。这些结果表明，基于禾本科的棉花系统改善了巴西稀树草原砂质土壤的土壤健康和功能平衡。

在全球气候变化背景下，确保粮食、饲料和纤维安全的同时保护环境是重大挑战。巴西稀树草原（Brazilian savannah）作为主要棉花产区，其砂质土壤具有低肥力、低持水能力和弱结构稳定性等固有局限，而传统的棉花单作与常规耕作（CT）进一步削弱了土壤的关键功能。针对这一现状，研究人员在巴西巴伊亚州Luís Eduardo Magalh?es实验站基于12年田间试验，评估了五种棉花种植系统对土壤多功能性的影响，包括棉花单作（CT对照）、谷子-棉花轮作（CT）以及三种免耕（NT）轮作（禾本科、豆科和草本科）。研究通过测定14个指标（涵盖化学、物理和生物属性）代表五种土壤功能，利用非线性评分函数标准化后，加权计算土壤健康指数（SHI），并引入功能变异系数（CV）和土壤健康相互作用功能趋势（SHIFT）方法，综合评估系统性能和功能平衡。作物功能性状（尤其是禾本科的密集根系与高生物量）比单纯多样性更关键，草本科轮作和谷子-棉花系统显著提升了土壤健康，而豆科覆盖作物（太阳麻）表现有限。覆盖作物系统使功能平衡提高38%，SHIFT分类显示草本科轮作和谷子-棉花为健康平衡，单作为不健康不平衡。该研究证明了基于禾本科的多样化策略能有效改善热带砂质土壤的可持续性，为农业管理提供了新方法，论文发表在《Journal of Environmental Management》。

主要技术方法：1）长期田间试验设计（12年，巴西稀树草原砂质土壤，样本来源：巴伊亚州Luís Eduardo Magalh?es实验站）；2）土壤健康指标测定：化学（pH、P、K、S、CEC_pH7）、物理（BD、MWD、MaP、MiP、SPR）、生物（BG、ARYL、C、N）；3）非线性评分函数（上渐近S形、下渐近S形和高斯曲线）将指标值标准化为0-1分；4）加权求和法计算土壤健康指数（SHI），化学、物理、生物组分各占0.33权重；5）计算五种土壤功能评分的变异系数（CV）评估功能平衡；6）采用土壤健康相互作用功能趋势（SHIFT）方法，根据SHI和CV将系统分为四类（健康平衡、健康不平衡、不健康平衡、不健康不平衡）。

3.1 土壤健康指标：通过方差分析（ANOVA）和Tukey检验，种植系统显著影响大多数指标（p<0.05）。化学指标中，pH和CEC_pH7差异显著，禾本科和豆科轮作pH最高（约6.20-6.25），单作最低（5.71）；CEC_pH7在谷子-棉花和草本科轮作中最高。物理指标方面，NT系统（特别是禾本科和草本科轮作）的容重（BD）和土壤穿透阻力（SPR）显著高于CT系统，但团聚体稳定性（MWD）提高约65%；大孔隙度（MaP）在CT系统中更高，微孔隙度（MiP）无显著差异。生物指标中，土壤有机碳（C）在谷子-棉花、禾本科和草本科轮作中显著高于单作和豆科轮作；芳基硫酸酯酶（ARYL）和β-葡萄糖苷酶（BG）活性在草本科和禾本科轮作中比单作高两倍以上。

3.2 土壤功能与功能平衡：五种土壤功能得分差异显著（p<0.05）。养分供应功能：单作最高（0.84），豆科轮作最低（0.56）。水分调节与通气功能无显著差异（0.64-0.72）。植物生长支持功能：单作和谷子-棉花最高（0.94-0.99），禾本科轮作最低（0.56）。侵蚀控制功能：禾本科和草本科轮作最高（0.88-0.87），单作最低（0.54）。碳固存与循环功能：草本科和禾本科轮作最高（0.79-0.76），单作和豆科轮作最低（0.42-0.51）。功能变异系数（CV）差异显著，单作最高（32%），草本科轮作最低（14%）；覆盖作物系统（谷子-棉花、豆科和草本科轮作）的CV（16%）显著低于仅经济作物系统（单作和禾本科轮作，26%），表明功能平衡提高38%。

3.3 土壤健康指数（SHI）与SHIFT：SHI值范围0.59-0.75，草本科轮作（0.75）和谷子-棉花（0.73）最高，豆科轮作（0.59）最低，单作和禾本科轮作居中（0.66-0.69）。SHIFT分类中，草本科轮作和谷子-棉花处于健康平衡类（高SHI，低CV），禾本科轮作为健康不平衡（高SHI，高CV），豆科轮作为不健康平衡（低SHI，低CV），单作为不健康不平衡（低SHI，高CV）。

讨论部分总结：土壤多功能性对作物多样化反应积极，但更多受物种功能性状驱动而非多样性本身，禾本科根系密集、生物量高、分解慢，促进碳固存和结构稳定，而豆科覆盖作物（太阳麻）生物量低、分解快，限制了土壤健康改善。常规耕作（CT）短期内降低容重和穿透阻力，但导致碳耗竭、生物活性下降和侵蚀风险增加，与免耕（NT）系统在植物生长支持功能上存在权衡。SHIFT方法通过联合解释SHI和功能变异，揭示了单作系统中SHI相对较高但功能不平衡的权衡，而覆盖作物系统通过减少对外部投入依赖，增强了功能平衡和长期可持续性。研究结论表明，基于禾本科的多样化策略效果优于豆科，覆盖作物系统能显著提高功能平衡，SHIFT方法为评估土壤多功能性提供了更全面的工具。

研究结论翻译：用禾本科作物（如珍珠粟（Pennisetum glaucum）和ruzigrass（Urochloa ruziziensis））使棉花生产多样化比使用豆科覆盖作物（如太阳麻（Crotalaria ochroleuca））更有效地改善巴西稀树草原砂质土壤的土壤健康。两种基于禾本科的策略，无论是在常规耕作下轮作还是作为免耕轮作的一部分，都增强了土壤健康。这些结果表明，作物物种的功能性状比作物多样性本身在增强土壤健康方面更具影响力，特别是在热带砂质土壤中，通过管理措施增加碳含量、改善土壤结构和促进生物功能是重大挑战。包含覆盖作物的种植系统（谷子-棉花、豆科和草本科轮作）相对于仅依赖经济作物的系统（棉花单作和禾本科轮作[大豆-高粱/棉花]）将土壤功能变异性降低了38%。这突出了覆盖作物在促进农业土壤功能平衡方面的潜力，即使它们对土壤健康指数本身的影响有限。因此，管理策略应不仅关注提高土壤健康，还应促进土壤功能更平衡的表达。在此背景下，提出的土壤健康相互作用功能趋势（SHIFT）方法通过联合解释土壤健康指数和土壤功能间的变异性，展示了作为评估土壤多功能性补充工具的潜力。这种方法更全面地理解了种植系统如何影响土壤执行多种功能的能力以及这些功能的平衡（权衡），为指导全球农业生态系统的可持续土壤管理提供了坚实基础。