《Advances in Agriculture》：Effect of Inter-cropping and Grazing Systems on Soil Physico-chemical Properties Restoration Between Rocky and Fallow Land at Halali Farm, Rustenburg
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农业部门是全球土地利用和环境变化的重要贡献者，通常通过集约化耕作、侵蚀和化学投入导致土壤退化。在南非，易退化土壤通常通过施用各种有机土壤改良剂（如堆肥、生物炭、粪肥）以及采用保护性农业（conservation agriculture, CA）来改善。然而，施
农业部门是全球土地利用和环境变化的重要贡献者，通常通过集约化耕作、侵蚀和化学投入导致土壤退化。在南非，易退化土壤通常通过施用各种有机土壤改良剂（如堆肥、生物炭、粪肥）以及采用保护性农业（conservation agriculture, CA）来改善。然而，施用土壤有机改良剂体积庞大且运输成本高，限制了其广泛应用；因此，再生农业实践为解决农业引起的环境问题和恢复生态系统提供了一种方案。本研究旨在评估特定再生管理实践——间作与放牧，相较于休耕和岩石对照处理——对关键土壤物理和化学性质的影响。在位于勒斯滕堡的Halali农场，研究人员使用土壤螺旋钻从三个深度层（0–10、10–20和20–30 cm）采集土壤样品。在实验室中，研究人员对样品的容重、水分含量、质地、土壤pH、阳离子交换量（cation-exchange capacity, CEC）、磷和锌进行了分析。研究结果提供了有价值的见解，表明间作显著改善了土壤的物理和化学性质，表现为高孔隙度、增强的水分保持能力以及因有效的冠层地面覆盖和根系截留降水并促进入渗而保留的土壤养分。放牧处理在表层的水分含量低于深层，但具有高孔隙度和高阳离子含量，这表明尽管牲畜踩踏会降低孔隙度和水分，但受控放牧在钠质土壤中产生了微裂缝，从地表结皮增加了水分入渗通道。休耕和岩石作为对照处理，其性质表现出变异性，表明缺乏根系活动、无有机质输入以及水分反方向运动显著影响了水分保持、通气和入渗。这些发现证明了适应性土壤管理策略在促进农业系统韧性和可持续性方面的关键作用。
论文解读：再生农业管理实践对退化土壤理化性质的恢复效应——基于南非Halali农场的实证研究
一、研究背景与科学问题
农业部门在全球土地利用和环境变化中扮演着重要角色，约占全球土地面积的三分之一，同时集约化农业实践、侵蚀和化学投入等因素持续导致土壤退化。物理退化主要表现为土壤孔隙度降低、团聚体稳定性下降、入渗速率减缓以及土壤有机质减少，进而损害土壤微生物群落和养分库。传统的土壤修复策略包括施用有机改良剂（如堆肥、生物炭、粪肥）和保护性农业（conservation agriculture, CA），然而这些方法存在明显局限：有机改良剂体积庞大、运输成本高昂；休耕制度在耕地资源有限的小农户中难以推行；保护性农业的采用也主要局限于少数商业农户。在此背景下，再生农业（regenerative agriculture）作为一种强调恢复和维护土壤健康的整体性方法，被视为改善土壤退化的有前景的替代方案。再生农业涵盖多样化作物轮作、覆盖作物、减少耕作、农林业、堆肥施用和轮牧等多种实践，其核心原则包括减少土壤扰动、保持土壤覆盖、确保全年活根存在、实践作物多样性以及整合畜牧业。
尽管再生农业在南非商业农户中的采用率正在上升，但小规模农户的采用率显著较低，主要原因是自上而下的知识传播方法未能适应资源受限的环境。更重要的是，在Bojanala地区，鲜有研究考察再生农业实践对土壤理化性质的影响，这凸显了建立本地化示范点和参与式、以农户为主导的研究方法的必要性。
二、研究设计与方法概述
本研究在位于南非西北省勒斯滕堡的Halali农场（25°53′09.0"S，27°19′12.0"E）开展，该地区属于半湿润至亚热带气候，年降雨量500–700 mm，主要集中在夏季。Halali农场自2019年起逐步向再生农业转型，于2022年完成100%再生实践转化。
研究采用4×3×3随机完全区组设计（randomised complete block design, RCBD），设置四种种植系统作为处理：间作（inter-cropping, IC）、放牧（grazing, GZ）、休耕（fallow, Fc，对照）和岩石地（rocky, Ry，对照），每个处理在三个深度层（0–10、10–20和20–30 cm）分别采样，重复三次。间作系统种植豆科作物（紫花苜蓿和甜豆）与禾本科作物（玉米, Zea mays）；放牧系统为受控轮牧的牧场，饲养牛和猪；休耕处理为闲置超过10年的土地；岩石处理以岩石占土壤体积比例最高为特征。
土壤物理性质分析包括：采用称重法测定水分含量；采用比重计法测定土壤质地；采用土块法测定容重；根据容重和颗粒密度计算孔隙度。土壤化学性质分析包括：采用凯氏定氮法测定全氮；采用pH计测定土壤pH水（1:2.5比例）；采用1 M KCl滴定法测定交换性酸度；采用1 M醋酸铵（NH?OAc）溶液（pH 7）提取并用原子吸收分光光度计（AAS 280 FS）测定钙、镁、钾、钠等盐基离子，进而计算阳离子交换量（cation-exchange capacity, CEC）；采用钼酸盐-抗坏血酸法测定有效磷。数据使用GenStat软件（第20版）进行方差分析（ANOVA），均值分离采用邓肯多重比较检验（Duncan's multiple range test, DMRT），显著性水平设为5%。
三、主要研究结果
（一）不同管理实践对土壤水分含量的影响
休耕地在表层（0–10 cm）的水分含量在所有处理和所有土层中最低，这归因于休耕地植被稀疏，地表大面积裸露，导致蒸发强烈，且缺乏根系和覆盖物保护，土壤保水能力和抗侵蚀能力显著降低。休耕地深层（20–30 cm）水分含量显著高于表层，这同样与地表持续暴露于阳光和风导致的快速蒸发有关。放牧地也呈现类似趋势，即表层水分低于深层。相比之下，岩石地和间作地在表层表现出显著更高的水分含量：岩石作为物理屏障减缓了水分蒸发；间作系统中豆科和禾本科作物形成冠层地面覆盖，根系截留降水并促进入渗。值得注意的是，间作地和岩石地在中间层（10–20 cm）水分含量显著降低，这可能是由于混合种植的作物（玉米和甜豆）根系相对较短，且侧根和根毛密度在0–20 cm深度最高，与深根系的紫花苜蓿共同竞争该层土壤水分。
（二）不同管理实践下土壤质地和颜色的深度变化
休耕系统以砂质黏土和黏土为主导，各深度均呈现棕色（7.5YR 4/4），表明在缺乏相对稳定性和扰动的情况下，土壤发展出均匀的特征。间作系统由细质地土壤组成，包括粉砂质黏壤土和黏土，上层（0–20 cm）为深棕色，下层为红棕色，反映有机质改善了排水和氧化条件。放牧系统以砂质黏壤土和黏壤土为主，浅层呈红棕色，深层呈深棕色，表明表面良好的通气性和有机质分解，以及有机质向下淋溶积累。岩石系统具有较粗的质地和较浅的颜色，表明有机质含量较低、矿物含量较高，土壤肥力较低。
（三）不同管理实践下土壤容重和孔隙度的响应
研究证实了容重与孔隙度之间的反比关系。各处理表层土壤容重均显著高于中层和下层，这归因于天气和动物因素直接作用于表土导致的压实。休耕地因植被稀疏缺乏保护和根系，易受强降雨导致的压实；岩石地中岩石紧密堆积置换土壤颗粒间孔隙，交通压力使岩石作用于土壤颗粒导致压实；放牧地中牲畜蹄部冲击造成土壤压实。然而，间作地总体容重较高，这归因于重型机械用于耕作、施药和收获造成的压实；其中层（10–20 cm）容重显著更高，这归因于耕作机具形成的犁底层（hardpan）。
（四）不同管理实践对土壤化学性质的影响
间作系统在阳离子交换量（CEC）、全氮、有效磷和锌含量方面均显著高于其他处理。间作系统pH值较高，酸度较低，这可能归因于不同作物根系的综合活动改变了土壤环境。休耕系统pH值在各深度均呈微酸性，CEC水平中等，但由于休耕期间缺乏活跃的植物吸收和有机质分解，氮含量在各深度均较低，磷和锌随深度递减。放牧系统pH值变异较大，在10–20 cm深度显著下降，表明该层酸度较高；氮含量总体较低但在表层（0–10 cm）略有升高，可能归因于动物粪便和有机质的贡献；然而磷和锌含量在各深度均保持较低水平。岩石系统各深度pH值呈微酸性，CEC值低于其他系统，氮、磷、锌含量均较低，反映了岩石土壤严峻的生长条件。
（五）不同管理实践下交换性酸度与石灰需求
各处理的交换性酸度与石灰需求量呈直接正比关系，即交换性酸度增加时石灰需求量也相应增加。各处理间交换性酸度无显著差异，但均随土壤深度增加而降低。表层土壤石灰需求通常较高，这归因于较高的生物活性、有机质含量以及硝化作用或有机质分解等酸化过程产生更多氢离子（H?），降低pH并增加中和酸度的石灰需求。
（六）不同管理实践下土壤入渗速率的比较
间作系统具有最高的初始和累计入渗速率，并在测量期间保持相对恒定的入渗速率，这归因于多样化根系系统改善了土壤结构和孔隙度。休耕系统初始入渗速率中等但随时间显著减缓，表明休耕期土壤虽有一定恢复，但缺乏活跃根系系统降低了其入渗效率。放牧系统入渗速率急剧下降，这归因于牲畜压实降低了土壤孔隙度。岩石系统入渗速率最低且变异性最小。
四、讨论与结论总结
讨论部分进一步阐释了各管理实践对土壤性质影响的内在机制。土壤水分受水输入（降雨和灌溉）、储存能力和损失（蒸散和径流）之间的平衡控制，而土壤质地、有机质、地形和天气决定储存和损失。休耕地和放牧地表层水分较低均与植被稀疏导致的地表暴露和蒸发增强有关；间作地和岩石地表层水分较高分别归因于冠层截留和岩石物理屏障效应。不同管理制度的土壤质地和颜色差异由管理实践、植被覆盖和自然成土过程的相互作用形成。土壤容重和孔隙度的反比关系得到验证，所有增加容重的因素同时降低孔隙度。
在化学性质方面，各管理实践的养分特征反映了不同的管理强度和作用机制。间作系统通过集约化管理和施肥实践显著提高了养分有效性；放牧系统面临养分通过牧草吸收和放牧动物移除而流失的挑战；岩石系统因土壤条件严峻而表现出较低的肥力；休耕系统因缺乏植物吸收和有机质分解而保持较低的养分水平。交换性酸度与石灰需求的关系说明土壤酸度和缓冲能力在土壤剖面中并不均匀。入渗速率的差异表明，间作系统在维持水分入渗方面最高效，而放牧系统的入渗速率下降主要归因于牲畜压实。
结论部分指出，间作系统在增强表层土壤水分保持方面最为有效，这得益于冠层覆盖和根系对降水的截留以及入渗的促进。研究同时表明，植被稀疏的休耕会加剧土壤退化，导致最低的表层水分保持和养分有效性。土壤物理性质随深度变化受固有质地等级的主导。在化学性质方面，间作系统表现出更高的CEC、氮、磷和锌含量，且这些养分随深度递减。总体而言，具有主动管理措施的系统（如间作）更能缓解土壤退化、增强对环境胁迫的韧性并支持农业生产，而未管理的实践（休耕和岩石地）则凸显了土壤压实、侵蚀和养分耗竭的风险，需要针对性的恢复策略。通过整合间作、轮牧和土壤恢复计划等可持续实践，可以实现土壤健康、韧性和长期农业可持续性的改善。
