纳米比亚东北部小农户管理下的保护性农业系统对土壤化学性质改善有限

《Discover Agriculture》：Soil chemical properties show limited improvements under smallholder farmer-managed conservation agriculture systems in Northeastern Namibia

　　

摘要 保护性农业（conservation agriculture, CA）已被广泛推广以改善土壤肥力和恢复力，但其在小农户耕作系统中的有效性尚不确定。本研究评估了纳米比亚卡万戈东（Kavango East）和赞比西（Zambezi）地区农户管理的CA耕作系统对选定土壤化学性质的中期影响。研究采用因子试验设计，包含三种耕作系统（保护性农业（CA）系统、传统耕作（Con）系统和自然/未扰动（Nat）系统）和五个土壤深度（0–10 cm至50–100 cm，以10 cm间隔取样）。结果显示，传统耕作（Con）与保护性农业（CA）之间差异较小。在卡万戈东地区，CA的pH值（7.60–7.67）略高于Con（7.24–7.17），且电导率（electrical conductivity, EC）较低（114.73–120.44 μS/cm vs. 208.70–379.25 μS/cm）（p < 0.05）。在赞比西地区，CA与Con之间的pH值和EC无显著差异。在卡万戈东地区，Con处理下的土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）较高，平均为0.62%，而CA平均为0.39%；在赞比西地区，Con平均为0.33%，略高于CA的0.31%（p < 0.05）。在卡万戈东地区，Olsen提取磷（phosphorus, P）在第1年以CA较高（2.84 mg/kg），但第2年Con超过CA（2.26 mg/kg vs. 2.14 mg/kg）（P = 0.0497）。在赞比西地区，Con处理下P含量为2.77 mg/kg，CA为3.91 mg/kg。在卡万戈东地区，Con处理下的铵态氮（NH??）含量（17.56和20.60 mg/kg）高于CA（12.01和22.09 mg/kg）；在赞比西地区，Con（14.31和20.60 mg/kg）略高于CA（14.57和19.43 mg/kg）（P = 0.028）。在卡万戈东地区，钾（K）和钠（Na）在CA下较高（K：5.90–7.33 mg/kg；Na：2.06–3.52 mg/kg），但在赞比西地区Con下较高（K：10.00 mg/kg）。卡万戈东地区CA的平均土壤质量指数（soil quality index, SQI）最低，为0.396，而Con的最高平均SQI为0.502。在赞比西地区，CA的平均SQI最高（0.548），Con和Nat的指数相近（0.391；0.389）。总体而言，这些研究结果表明，在农户管理系统中，CA与传统耕作相比并未导致土壤化学性质出现显著差异，且养分响应具有地点特异性。建议农户实施CA的全部三项原则，包括残茬保留和轮作，以在半干旱条件下（如本研究条件）提高土壤肥力并维持长期生产力。

论文解读：纳米比亚东北部小农户管理下保护性农业对土壤化学性质的中期影响

一、研究背景与问题

全球人口预计将从2019年的77亿增长至2050年的97亿，粮食需求的持续增长对土壤等自然资源构成巨大压力。20世纪中叶兴起的绿色革命虽通过高产品种和化学投入显著提升了作物产量，但也带来了土壤退化、生物多样性丧失等生态问题。传统农业已被证实会通过影响土壤pH、电导率（EC）、有机质、速效磷和有机碳等化学性质而导致土壤退化。在此背景下，保护性农业（CA）作为一种强调最小土壤扰动、作物轮作和地表覆盖维持的替代性耕作方式，在全球范围内受到广泛关注。巴西和澳大利亚等国已成功实施CA，非洲的南非、肯尼亚、赞比亚等国也报道了积极效果。

纳米比亚于2005年通过保护性耕作项目引入CA，旨在提升珍珠粟等旱地作物产量。然而，现有关于CA对纳米比亚土壤化学性质影响的研究极为缺乏，且大部分研究在受控的试验站条件下进行，无法真实反映农户实际耕作环境中的土壤类型、小气候、病虫害压力和社会经济约束等复杂因素。农户实际采用的CA方式可能与研究站测试的“理想”版本存在差异，因此其实际效益尚不明确。为填补这一空白，本研究在纳米比亚东北部的赞比西和卡万戈东两个地区，对农户管理田块中CA对土壤化学性质的影响进行了实地评估。

二、研究设计与主要技术方法

研究采用因子试验设计，在卡万戈东（18.3333° S, 20.5833° E）和赞比西（17.8° S, 23.9° E）两个地区开展。每个地区随机选取3个小农户田块作为区组，每块田分为3个相邻的1公顷样地，分别代表CA系统（玉米与豇豆或珍珠粟与豇豆间作、减少耕作）、传统耕作系统（Con，每年翻耕、单作、残茬移除）和自然系统（Nat，未受耕作干扰的邻近土地）。土壤样品在5个深度间隔（0–10、10–20、20–30、30–50和50–100 cm）采集，连续两个作物季（2023–2024和2024–2025）进行。主要分析方法包括：pH和EC采用多参数计测定；Olsen磷采用0.5 M碳酸氢钠提取和抗坏血酸比色法；有机碳采用Walkley–Black法；可提取阳离子采用醋酸铵提取和光谱法测定；铵态氮和硝态氮/亚硝态氮采用0.5 M硫酸钾提取和比色法。数据采用三因素方差分析（ANOVA）和主成分分析（PCA），并构建土壤质量指数（SQI）。

三、主要研究结果

3.1 区域、耕作和深度对土壤pH和EC的影响

地区、耕作系统和深度对pH均有显著影响。在卡万戈东，自然系统（Nat）的pH最高（两年平均7.97和7.92），其次为CA（7.60和7.67），Con最低（7.24和7.17）。而在赞比西，Nat的pH最低（6.22和6.17）。EC方面，卡万戈东显著高于赞比西（259.38 vs. 71.09 μS/cm）。在卡万戈东，CA的EC值最低（114.73和120.44 μS/cm），Con在第二年达到379.25 μS/cm，Nat在第二年最高达569.18 μS/cm。赞比西地区各耕作系统间EC差异不显著。深度对EC无显著影响，但卡万戈东的pH随深度增加而升高。

3.2 区域、耕作和深度对土壤有机碳的影响

SOC受地区、耕作和深度显著影响。卡万戈东的SOC平均含量（0.61%）高于赞比西（0.33%）。在卡万戈东，Nat的SOC在第二年最高（1.15%），Con次之（0.79%），CA最低（0.49%）。赞比西地区各处理间差异较小且年份间模式不稳定。SOC随深度增加呈下降趋势，尤其在卡万戈东表现明显，且Con处理下SOC随深度的下降比CA和Nat更为急剧。

3.3 区域、耕作和深度对磷和氮的影响

速效磷受地区、耕作和深度显著影响。卡万戈东的平均磷含量（2.42 mg/kg）高于赞比西（1.92 mg/kg）。在卡万戈东第一年，CA的磷含量最高（2.84 mg/kg），但第二年Nat最高（3.19 mg/kg），Con（2.26 mg/kg）超过CA（2.14 mg/kg）。赞比西第一年CA最高（3.91 mg/kg），第二年各处理趋于一致。NO??/NO??含量受地区显著影响，赞比西（32.97 mg/kg）高于卡万戈东（24.6 mg/kg），但耕作系统和深度间无显著差异。NH??受耕作系统和耕作×深度交互作用显著影响。卡万戈东CA的铵态氮含量最低（12.01和22.09 mg/kg），Con较高（17.56和20.60 mg/kg）。

3.4 区域、耕作和深度对可提取阳离子的影响

钙（Ca）受地区和耕作显著影响，赞比西（151.82 mg/kg）高于卡万戈东（55.78 mg/kg）。在卡万戈东，CA的Ca含量最高；赞比西第二年Nat急剧升高至398.03 mg/kg。镁（Mg）在赞比西（15.78 mg/kg）高于卡万戈东（10.79 mg/kg），赞比西第二年Nat升至28.00 mg/kg。钾（K）在赞比西（7.40 mg/kg）高于卡万戈东（6.52 mg/kg），且随深度增加而降低。钠（Na）在赞比西（26.21 mg/kg）远高于卡万戈东（2.97 mg/kg），赞比西第二年Nat异常升高至130.63 mg/kg。

3.5 土壤质量指数

通过主成分分析（PCA）筛选出EC、Ca和Na作为最小数据集指标，SQI计算公式为：SQI = ∑（Ca × 0.68）+（EC × 0.26）+（Na × 0.045）。卡万戈东的整体SQI（0.958）远高于赞比西（0.118）。在卡万戈东，Con的SQI最高（0.502），CA居中（0.396），Nat最低（0.301）。在赞比西，CA的SQI最高（0.548），Con和Nat相近（0.391和0.389）。

四、讨论与结论

研究结果表明，CA与传统耕作在土壤化学性质上的差异总体较小，且养分响应具有明显的地点特异性。卡万戈东的半干旱气候和砂质土壤促进了碱性盐分积累，导致较高的pH和EC；而赞比西较高的降雨量导致淋溶作用增强，pH和EC较低。CA在卡万戈东表现出更稳定的pH和更低的EC，可能与其改善土壤覆盖、减少蒸发有关；但在SOC方面，Con反而高于CA，这与残茬被移作饲料、轮作未实施等农户实际管理方式有关。研究强调，农户在实际操作中往往无法完全实施CA的全部三项核心原则（最小扰动、残茬保留和轮作），这可能是CA效果受限的主要原因。研究建议农户应尽量完整实施CA的三项原则，以在半干旱条件下提升土壤肥力并维持长期生产力。