再生有机农业对土壤生物学的积极影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Positive effects of regenerative organic agriculture on soil biology

　　

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  首个随机区块实验，同时评估再生有机农业与常规农业下土壤生物学的变化。
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  再生有机农业在2至3年内改变了土壤微生物群落结构。
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  再生有机农业显著增加了丛枝菌根真菌的丰度。
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  再生有机农业下蚯蚓的丰度提高了50至100倍。
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  再生有机农业增强了土壤节肢动物多样性。

引言

再生有机农业采用了一系列实践，如最小土壤扰动、作物轮作、覆盖作物、有机施肥等，这些实践有助于长期改善土壤健康。越来越多的研究表明，再生有机的农业实践在不同农业生态系统中对土壤健康和土壤质量具有潜在益处。再生有机农业通过采用减少耕作、覆盖作物和草田轮作等措施，有助于土壤有机碳的积累。近期的科学证据也表明，再生有机农业对土壤生物学具有积极影响，包括促进土壤微生物活性更高、微生物多样性和丰度更高，以及蚯蚓多样性增加。

尽管再生有机农业可能对土壤生物学产生显著的积极影响，但来自设计良好的田间实验的证据仍然匮乏，尤其是关于多种再生有机实践如何通过时间交互影响土壤微生物群落组成的证据。特别是，我们仍然缺乏来自小区尺度田间实验中同时测量多个生物指标的数据，而这些实验专门比较了再生有机农业与常规农业。本研究的主要目的是量化多种再生有机实践对三个关键土壤生物学指标的综合净效应：微生物群落组成、蚯蚓丰度和节肢动物群落多样性与丰度。这一指标组合很有用，因为它包含了不同的营养级和功能角色，微生物作为分解者和共生体、蚯蚓作为生态系统工程师，节肢动物作为食物网复杂性的指示物，从而为土壤生物学对管理的响应提供了一个全面的评估。

近期证据表明，低强度土壤管理有助于增加丛枝菌根真菌的丰度以及真菌与细菌的比值。一项跨越九年、探讨从常规农业向再生有机农业转变期间土壤微生物群落组成变化的田间研究发现，大多数农田中丛枝菌根真菌的生物量有所增加，同时真菌腐生菌也增加，而推测中的真菌病原体则表现出相反的反应。同样地，一篇关于化肥与有机肥农业影响的综述文章表明，施用化肥和农药对土壤微生物群落的多样性以及蚯蚓群落具有负面影响。

蚯蚓在增强土壤健康和土壤生态系统功能方面发挥着关键作用。来自阿根廷潘帕斯地区四个有机农场的研究发现，蚯蚓的最高丰度、生物量和物种丰富度出现在天然草地中，其次是大规模有机农业，而最低的蚯蚓丰度出现在常规农业系统中。同样地，Hole等人（2005）在他们的综述研究中观察到，与常规农业相比，有机管理下的蚯蚓丰度和生物量普遍更高。这些结果与土壤微生物群落的变化相结合，表明需要对土壤生物学进行更全面的表征，以更好地理解再生有机农业与常规农业对潜在土壤生态系统的影响。对土壤生物学响应的全面评估还应包括土壤节肢动物群落多样性和丰度的变化。例如，土壤生物学质量节肢动物指数已被证明在评估人类管理土壤中土壤微节肢动物群落的生物多样性差异方面是有效的。

近期一项在匈牙利78个农场开展的研究发现，土壤生物学质量节肢动物指数与土壤容重之间存在负相关，表明土壤压实对土壤微节肢动物群落有负面影响。一项比较有机和常规管理葡萄园的研究发现，有机系统中的土壤相较于常规系统表现出更高的土壤生物学质量节肢动物指数值。

再生有机实践有可能通过覆盖作物、有机改良剂、作物轮作等措施降低土壤容重并增加土壤水分。因此，它们可以创造更好的环境条件，有利于包括土壤微生物、微节肢动物和蚯蚓在内的关键土壤生物群落。迄今没有研究通过持续至少几年的重复田间实验，同时探讨这些土壤群落如何受到多种土壤管理措施（再生有机与常规）的影响。这为检验消除合成农业化学品与其他再生实践结合的效果提供了一个更干净的测试。

本研究采用了一项重复田间实验，我们比较了三种不同的农业生态系统，分别采用了再生有机农业和常规农业实践进行管理，持续了3年。我们的再生有机农业处理严格排除了所有合成肥料、农药和除草剂。虽然再生有机农业实践的整体性阻碍了对单一成分的归因，但这也是一项优势：农民会同时实施多种实践。因此，我们的研究测试的是再生有机农业作为一个整体系统的现实有效性，而不是任何单一实践的效果。我们预计，再生有机农业可能引起的土壤健康变化将首先从土壤生物学的变化开始，而这些变化将在我们田间实验的3年时间框架内被检测到。我们测量了土壤微生物、微节肢动物和蚯蚓群落的变化。我们的工作假设是，经过再生有机农业管理实践"调理"的土壤，包括作物轮作、覆盖作物、动物粪肥改良、最小土壤扰动以及不使用合成化学品，与常规土壤相比将表现出：H1：更高的微生物生物量和丛枝菌根真菌的丰度；H2：更高的蚯蚓丰度；H3：更高的节肢动物多样性。

据我们所知，这是首个设计良好、重复的小区尺度随机区块实验，同时考察从常规管理向再生有机农业管理早期过渡期间微生物、蚯蚓和节肢动物的响应。

章节摘要

材料与方法

我们的研究在位于意大利帕尔马的欧洲再生有机农业中心（44.849394 N, 10.279305 E）进行，实验于2022年3月开始。EROC内的实验1（图1）采用完全随机区组设计，包含四个重复和两种实验处理。土壤的初始特征（2022年3月）见表1。实验1包含56个实验小区，排列成8行，每行包含7个小区（图1）。为避免交叉污染

再生有机农业对土壤微生物群落的影响

基线（2022年）测量显示，后续分配至常规和再生有机处理的小区在任何测量指标上均无显著差异（数据未展示，所有P值大于0.05），支持第2至3年观察到的差异归因于管理方式而非原有梯度。我们发现，2024年测量的总真菌磷脂脂肪酸（摩尔百分比），在实施再生有机农业2年后，再生有机农业管理的土壤中显著高于常规管理的土壤。

讨论

总体而言，我们的研究表明再生有机农业对土壤生物学具有积极影响。我们的发现表明，在实施多种再生有机农业实践后2至3年内，多个土壤生物学指标发生了可检测的变化，但需要长期研究来评估这些响应的稳定性。我们观察到土壤微生物群落发生变化，磷脂脂肪酸和真菌标记物的丰度增加，特别是显著增加。

结论

本研究为日益增长的评估多种再生实践对土壤生物学指标影响的文献做出了贡献，并且是少数在单个重复实验中同时量化微生物、蚯蚓和节肢动物响应的研究之一。我们表明，在再生有机土壤管理的3年内，土壤微生物群落向更高丰度的丛枝菌根真菌转变，蚯蚓数量显著增加，节肢动物多样性也。

作者贡献声明

Dario Fornara：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，数据管理，概念化。Enrico Martani：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法学，调查。

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

作者声明，本论文撰写过程中未使用任何生成式AI及AI辅助技术。

资金支持

Dario Fornara报告，资金支持和文章出版费用由Davines SpA提供。

Enrico Martani报告，资金支持和文章出版费用由Davines SpA提供。

Dario Fornara报告与Davines SpA的关系包括：就业关系。

Enrico Martani报告与Davines SpA的关系包括：就业关系。

欧洲再生有机农业中心关于再生有机农业的研究活动独立于

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Dario Fornara报告，资金支持和文章出版费用由Davines SpA提供。Enrico Martani报告，资金支持和文章出版费用由Davines SpA提供。Dario Fornara报告与Davines SpA的关系包括：就业关系。Enrico Martani报告与Davines SpA的关系包括：

致谢

我们感谢英格兰克兰菲尔德大学的Mark Pawlett博士提供的指导，以及他在土壤、农业与生物科学中心实验室进行的磷脂脂肪酸分析。感谢Simona Mazza、Marco Vettese和Fabio Torchio在田间工作中提供的宝贵支持。本研究离不开Davines Group的财政支持，该集团推动在帕尔马创建并实施了欧洲再生有机农业中心的运营。

Dario Fornara|Enrico Martani