土壤团聚体稳定性：两种评估生态农业耕作制度影响方法的比较

《Soil and Tillage Research》：Soil aggregate stability: Comparison of two methods to evaluate the effect of agroecological cropping systems

　　

• 比较了两种通过湿筛法测量土壤团聚体稳定性的方法。
• 评估了耕作强度不同的农业生态系统的土壤。
• 两种方法——Le Bissonnais法和ASTAVIT法——都易于且快速操作。
• 两种方法的结果一致，不同系统间表现出不同的团聚体稳定性。
• 在本研究条件下，仅ASTAVIT法显示出显著差异。

引言

土壤结构是土壤最重要的特性之一（Menassery-Aubry, 2015）。它调节着水分保持和渗透、气体交换、土壤有机质和养分动态、根系穿透、侵蚀易感性以及土壤生物的多样性和活性（Rabot et al., 2018）。因此，土壤结构不仅决定了作物的生产能力，也决定了耕作系统的可持续性（Watts et al., 1996）。

土壤结构可以通过三个组成部分来定义：形态、稳定性和恢复力（Menassery-Aubry, 2015）。形态指的是在某一时刻土壤内固相和孔隙空间的异质性排列。土壤结构稳定性，通常称为团聚体稳定性，指的是土壤结构在各种应力作用下维持其形态的能力。在此背景下，水的作用是最常被研究的力。最后，土壤结构恢复力是应力停止或减弱后，土壤通过自然过程恢复其形态的能力。

团聚体稳定性取决于土壤内部因素，如土壤生物、有机质、铁和铝氧化物、碳酸钙、阳离子交换容量、质地和粘土矿物学（Lehmann et al., 2017; Menassery-Aubry, 2015; Philippot et al., 2024）。它还取决于气候、季节和农业管理方式等外部因素（Abdollahi and Munkholm, 2014, Amézketa, 1999, Bottinelli et al., 2017, Iheshiulo et al., 2023, Plaza-Bonilla et al., 2013, Vaezi et al., 2017）。大量的单因子实验评估了作物类型、轮作多样性或特定农业技术（如施肥）对团聚体稳定性的影响。多因子实验也很好地记录了两种或三种技术组合的影响。然而，关于整个耕作系统影响的研究却很少。在耕作系统内，农民选择的所有技术相互之间以及与轮作中的作物相互作用，这可能会改变它们对团聚体稳定性的影响。

Boeraeve等（2020）比较了农业生态耕作系统（ACS）和常规耕作系统（CCS）中的土壤团聚体稳定性。在他们的研究中，这些耕作系统在土壤耕作方面存在差异（CCS为犁耕或浅耕，ACS为免耕或浅耕），在施肥方面存在差异（CCS使用矿物肥，ACS使用有机肥），在合成产品使用方面存在差异（CCS使用，ACS不使用），以及在栽培方式方面存在差异（CCS为单作，ACS为间作）。CCS中的团聚体稳定性显著低于ACS。Riley等（2008）也观察到常规耕作系统（每年犁耕、谷物轮作、矿物施肥、使用农药）中的团聚体稳定性显著低于替代耕作系统（每四年犁耕一次、草场-谷物轮作、有机施肥、不使用农药）。然而，Zani等（2020）并未观察到CCS与替代耕作系统之间在团聚体稳定性方面存在显著差异。这可能是因为这两个系统仅在施肥方面（CCS使用有机和矿物肥，替代系统仅使用有机肥）和主要种植作物方面（CCS为小麦-大麦-油菜轮作，替代系统为小麦-大麦-豆类轮作）存在差异。

已使用多种测量方法评估团聚体稳定性（Liu et al., 2021）。一些方法直接在田间实施（Herrick et al., 2001），但大多数在实验室中使用（Kemper和Rosenau, 1986, Le Bissonnais, 1996, Wengler et al., 2024）。实验室方法根据样品特性（大小、结构和含水量）、施加给样品的处理、分解测量方式或结果表达方式进行区分（Le Bissonnais, 1996）（表1）。用于测量土壤结构稳定性的样品通常是团聚体。在文献中，使用团聚体的合理性存在争议。一个论据是，团聚体通常无法在土壤样品的图像中（例如通过X射线断层扫描获取的图像）中被识别（Baveye, 2020）。然而，团聚体不一定需要具有明确的物理边界才能在土壤剖面中存在（Garland et al., 2024）；它们透明地嵌入土壤中。第二个论据是，如果一定体积的土壤被隔离或从其来源的土壤基质中移除，穿过该体积的物质和能量流将受到影响（Vogel et al., 2021）。确实，在评估土壤结构时，将土壤整体考虑在内更为合适。然而，这将非常难以实施。尽管存在争议，团聚体仍然是评估土壤结构时易于获取和处理的物质，多年来对其广泛的使用表明它是土壤结构的良好替代指标。

然而，团聚体的制备是一个非常关键的步骤。根据制备团聚体时样品的含水量以及破碎土块的方法，团聚体的大小和形状，进而导致结果，可能会有相当大的差异。此前研究中使用的团聚体并非完全以相同的方式制备。为了克服这一问题，可以使用例如圆盘研磨机或甩刀研磨机等设备自动化团聚体的制备（Garcia et al., 2022）。在一些研究中，团聚体根本没有经过"制备"或"制作"。例如，Euteneuer等（2024）和Almajmaie等（2017）使用通过筛分土壤样品产生的"团聚体"获得了团聚体稳定性测量结果，完全没有破碎任何土块。因此，要比较不同研究中的团聚体稳定性结果，必须检查制备团聚体所使用的方案。

由于团聚体稳定性不是可直接测量的特性，它通过使用相关变量来评估。用于评估团聚体稳定性的变量因所使用方法的不同而异（例如重量、表面积）。此外，根据所使用的方法，这些变量可以在不同时间测量。例如，一些方法仅在处理结束时测量变量，反映剩余稳定性，而其他方法在测量变量在处理过程中的演变，从而反映稳定性动态。同样，根据方法不同，团聚体的稳定部分和/或不稳定部分的考虑方式也不同。因此，由此得到的团聚体稳定性指数在概念上并不等价。

在所有测量方法中，基于粒径分布方法的Le Bissonnais（1996）方法是唯一经过标准化（ISO 10930:2012）的方法（ISO, 2012）。它提供了一个精确描述的方案的优势，并且不需要任何专业设备，只需大多数实验室常见的设备（玻璃器皿、烘箱）。然而，实施该方案所需的时间和专业知识是其主要缺点。另一方面，湿筛法是测量团聚体稳定性最常用的方法。它快速且易于实施。此外，与Le Bissonnais方法不同，其结果不受操作者效应的影响。然而，进行湿筛需要专用设备。近年来，开发了多种新方法。其中之一是SLAKES方法（现已更名为Moulder）（Fajardo et al., 2016）。它快速且人人可用，因为它易于使用且无需特殊材料，只需一部智能手机。然而，概念上的局限性影响了测量的精确度和稳健性（Wengler et al., 2024）。基于视频测试的团聚体稳定性评估方法（ASTAVIT）是由SLAKES方法发展而来的，对其实施进行了改进以克服其缺点（Wengler et al., 2024）。

理想情况下，所选方法应该快速、易于实施、成本低、可重复，并且能够根据土壤类型、土地利用和农业管理措施检测出团聚体稳定性的差异（Almajmaie et al., 2017）。关于最后一点的研究数量有限。Poeplau等（2024）在一个质地梯度（粘土含量高达30%）上比较了三种方法：SLAKES方法（基于评估水浸后团聚体表面积变化的图像评估（Fajardo et al., 2016）），Kemper & Roseneau方法（基于评估湿筛后未分解和已分解团聚体分量的重量（Kemper, Rosenau, 1986）），以及Le Bissonnais方法的快速浸湿试验（基于评估快速水浸后各团聚体大小级别的重量（Le Bissonnais, 1996））。他们观察到，仅Le Bissonnais方法的快速浸湿试验和Kemper & Roseneau方法能够观察到草地与耕地之间在土壤团聚体稳定性上的显著差异。同样，Euteneuer等（2024）观察到Kemper & Roseneau方法能够区分不同农业管理方式下土壤团聚体稳定性的差异。更具体地说，他们发现Moulder方法（SLAKES方法的新名称（Fajardo和McBratney, 2023））、SlakeLight方法（基于聚光体浸没在充满水的腔室中时透射光变化的评估（Madaras et al., 2024））和Kemper & Roseneau方法能够观察到粉壤土在不同土壤耕作方式（犁耕、浅耕、免耕）下土壤团聚体稳定性的差异。在一项荟萃分析中，Rieke等（2022）比较了各种方法检测不同农业管理措施之间差异的能力：轮作多样性、作物数量、残留物保留、有机养分、覆盖作物和减少耕作。结果表明，康奈尔降雨模拟器（基于评估雨滴冲击后分解的土壤团聚体重量（Moebius-Clune et al., 2016））、SLAKES方法（Fajardo et al., 2016）和湿筛法能够在两到三种措施之间检测到团聚体稳定性的显著差异，具体取决于方法，但不一定是相同的措施。

方法检测团聚体稳定性差异的能力取决于土壤气候背景（Rieke et al., 2022）。因此，似乎很难将这些研究的结果推广到其他地点。此外，大多数方法都是在粘土和粉质土壤上开发和实施的，其粘土浓度不超过30%（Deviren Saygin et al., 2015）。

本研究的目的是评估两种方法在相同粘土上对农业生态耕作系统之间团聚体稳定性差异的检测能力。

为此，在一处实验农场不同耕作系统的土壤表层剖面上，使用两种方法测量了团聚体稳定性：基于粒径分布的Le Bissonnais方法的快速浸湿试验，以及基于动态表面积演化方法的ASTAVIT方法。选择Le Bissonnais方法的快速浸湿试验是因为它在文献中经常被引用，并且是唯一的标准化团聚体稳定性测量方法的一部分。相比之下，选择ASTAVIT是因为它是一种新方法（2024年），被描述为快速且低成本。我们的工作假设是耕作系统间的土壤团聚体稳定性将存在差异，并且我们期望两种测量方法中至少有一种能够凸显这些差异。在本研究中，决定不评估测量的准确性（重复性的表征），而是主要关注所研究团聚体稳定性方法的辨别能力而非测量精度。

地点和土壤气候背景

本研究在法国Bretenière进行，地点位于INRAE实验Co-designed Agroecological SYStem平台（CA-SYS）（47°14'11.0"N, 5°05'57.0"E）。该地点具有半大陆性特征的海洋性气候。年平均气温为11.5°C，年平均降水量为743毫米。土壤发育于钙质冲积土中，具有瓦片排水。在CA-SYS中区分了多种土壤类型（Seger et al., 2023），但所有样品均取自Cambisol（Cambisol）。

图1显示了两种方法获得的团聚体稳定性指数的分布：FWLB和FWASTAVIT。使用FWLB，团聚体稳定性范围为0.48至1.71 mm（中位值=0.98 mm），涵盖三个团聚体稳定性等级，从不稳定到稳定团聚体（表4；表S1）。

使用FWASTAVIT方法，团聚体稳定性范围从0.18到0.53（中位数为0.35），同样涵盖三个团聚体稳定性等级，从不稳定到稳定/极稳定的团聚体。方法实施两种方法均方法实施由于团聚体制备是关键步骤，本研究中所使用的团聚体由同一人以完全相同的方式制备。这确保了团聚体制备不会影响方法结果。尽管两种方法均应用于同一种材料（团聚体），但所需土壤量并不相同。对于FWLB方法，规程建议每次测量使用5–10克团聚体，并对每个样品进行三次重复测量。在本研究中，三次重复结论本研究的目的是评估两种方法在检测生态农业耕作系统中土壤间团聚体稳定性显著差异方面的能力。其中一种方法FWLB是标准化的且被广泛使用，但其结果部分依赖于操作人员。第二种方法FWASTAVIT是新兴方法，仍在开发中；该方法旨在快速、易于实施、所需设备和操作技能最少、成本低廉。为了比较两种方法，土壤样品CRediT作者贡献声明Marine Lacoste：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，方法学，资金获取，概念化。Pauline Pueyo：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析。Maud Seger：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。Marjorie Ubertosi：撰写—审阅与声明在写作过程中使用生成式人工智能及AI辅助技术的声明在本工作准备过程中，作者使用了editGPT（https://editgpt.app/ai-rewriter-free）来改进英语表达，即提高可读性和流畅性，使文本更清晰而不改变原意。作者对输出结果进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。资金来自INRAE AgroEcoSystem部门的资助。利益冲突声明作者声明，他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢我们感谢SysSols项目的所有成员，本项研究正是在该框架内开展的。我们感谢INRAE位于Epoisses的实验站以及INRAE农业生态学混合研究单位，感谢他们在CA-SYS平台上设计和实施系统实验。此外，我们感谢Olivier Josière在实验室中实施Le Bissonnais方法方面提供的宝贵帮助。Pauline Pueyo | Marine Lacoste | Lionel Cottenot | Sébastien Salvador-Blanes | Marjorie Ubertosi | Maud Seger