土壤健康对自然积极管理的响应调控半干旱农业生态系统中的土壤水分入渗

《Soil Security》：Soil health responses to nature-positive management regulate soil water infiltration in semi-arid agroecosystems

　　

自然积极农业（Nature-positive farming）是一种在提高作物产量的同时增强自然与社会韧性和和谐的方法，预计能改善土壤健康（soil health）并增加土壤水分入渗（soil water infiltration）。然而，关于不同自然积极农业实践如何影响土壤健康和土壤水分入渗动态的研究有限。本研究评估了三种自然积极农业实践对土壤水分入渗的影响及其与其他土壤性质的关系。为此，研究人员使用SATURO双头入渗仪（SATURO dual-head infiltrometer）测量土壤水分入渗，并在从各自田间0-15 cm深度采集的土壤样品中测量选定的土壤健康参数。结果表明，自然积极实践的水分入渗率显著高于相应的对照，自然积极管理的水分入渗率比对照高86%至198%。使用线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Model, LMM）识别调控入渗率的因素显示，入渗总变异的70%由土壤健康指标决定，其中水稳性团聚体（Water-Stable Aggregates, WSA）是最关键的因素，占总变异的49%。自然积极管理可能是改善半干旱农业生态系统土壤健康和安全的可持续解决方案，并且土壤团聚体的稳定性在改善水分功能（包括土壤水分入渗）中起着关键作用，无论采用何种自然积极实践。

土壤水分入渗是半干旱农业生态系统中的关键生态功能，能减少径流和蒸发损失，增强土壤储水，缓解干旱风险。然而，传统耕作和不合理管理导致土壤结构退化、入渗能力下降。尽管自然积极管理（如覆盖作物、保护性耕作、多年生草带）已被证明能改善土壤健康，但其对半干旱环境下土壤水分入渗的具体影响机制尚不明确。为此，研究人员在新墨西哥州东部半干旱地区开展了长期田间试验，评估三种自然积极管理实践（圆形多年生草带交替作物带、覆盖作物、保护性耕作）对土壤水分入渗的影响，并识别关键调控因子。研究结果表明，自然积极管理可显著提高入渗率（86%–198%），其中水稳性团聚体（WSA）是入渗的主要驱动因素，占总变异的49%。该研究发表在《Soil Security》上，强调了自然积极管理在提升土壤健康和安全中的潜力，为半干旱区域可持续农业提供了科学依据。

研究人员主要采用以下关键技术方法：使用SATURO双头入渗仪（Meter Group Inc.）测量田间饱和导水率（Kfs）并转换为垂直入渗率，在0-15 cm土层采集土壤样品并测定土壤容重（BD）、土壤水分含量（SMC）、干团聚体平均重量直径（MWD）、水稳性团聚体（WSA）、pH、土壤有机碳（SOC）和全氮（TN），同时收集地表残茬覆盖。所有样品取自新墨西哥州立大学农业科学中心（Clovis, NM）的长期田间试验，包括草地缓冲带（2016年建立）、覆盖作物（2018年建立）和保护性耕作（2013年建立）三个系统，每个系统均有至少5年种植历史。采用线性混合效应模型（LMM）分析土壤性质对入渗率的影响，并计算边际R²m。

3.1 土壤水分入渗和土壤性质对自然积极管理的响应：通过方差分析（ANOVA）和正交对比，研究人员发现自然积极管理系统的入渗率显著高于对照。与对照相比，草地缓冲带（GB）入渗率提高198%，缓冲玉米（BC）提高156%，覆盖作物系统（CC+CCR）提高132%，免耕（NT）提高86%。同时，草地缓冲带降低了BD和SMC，提高了pH和WSA；缓冲玉米提高了残茬覆盖和WSA；覆盖作物系统增加了残茬覆盖；免耕增加了BD、残茬覆盖、MWD、WSA和SOC，但降低了BD（与常规耕作相比，CT的BD更低，可能因早期耕作松动土壤）。3.2 土壤性质与水分入渗率之间的联系：皮尔逊相关分析显示，入渗率与WSA（r=0.74）、pH（r=0.53）和残茬覆盖（r=0.21）呈正相关，与BD（r=-0.72）、TN（r=-0.58）和SMC（r=-0.35）呈负相关。线性混合效应模型（LMM）表明，土壤性质固定效应解释了入渗率70%的变异（R²m=0.70），其中WSA是主要驱动因素（R²=0.49），其次是SOC和pH。

讨论部分总结：自然积极管理通过改善土壤结构（如降低BD、增加WSA）提高了入渗率，这与持续根系覆盖、根系分泌物及微生物活动（如菌根真菌）有关。覆盖作物和免耕进一步增强了WSA和SOC，但覆盖作物对BD和MWD的即时影响不显著。免耕相比常规耕作提高了SOC和WSA，但BD在常规耕作中更低。研究指出，WSA是入渗的关键因子，在半干旱地区，提高WSA可减少侵蚀、增加储水，从而提升土壤安全。入渗率与TN的负相关可能与氮富集土壤中矿化作用增强导致的孔隙连通性降低有关。尽管存在季节性变异，但自然积极管理在改善土壤健康和水文功能方面具有显著潜力。

研究结论翻译：本研究评估了不同自然积极农业实践相对于常规实践在半干旱环境中的效益，重点关注其对土壤健康参数的影响以及由此带来的土壤水分入渗改善。研究结果表明，持续活根、减少土壤扰动和土壤覆盖对于改善土壤健康和水分入渗至关重要。其中，多年生草带在促进水分入渗方面比一年生作物更具优势。未来研究应探索更复杂的自然积极管理系统中土壤水分入渗与其他土壤健康指标之间的协同作用，并考虑季节和时间变化。尽管如此，将常规实践转向能够提高土壤水分入渗率的自然积极系统，对于缓解极端天气（包括水源受限的半干旱农业生态系统中预期增加的强降水事件）的影响至关重要。此外，这些系统在农场层面的成功实施将取决于社会接受度、经济可行性和管理能力。解决这些社会维度对于推广既能增强土壤健康又能提高农业韧性的自然积极实践至关重要。