多样化种植制度提升热带北几内亚稀树草原土壤质量与入渗特性

《Land》：Diversified Cropping Systems Improve Soil Quality and Infiltration Characteristics in the Tropical Northern Guinea Savanna

　　

土壤退化持续威胁着北几内亚稀树草原（Northern Guinea Savanna, NGS）的耕地，损害土壤质量与粮食生产，亟需可持续管理策略。本研究旨在识别能够改善NGS土壤物理、化学和入渗属性的种植制度。研究人员在四种已建立的种植制度——农林复合（Agroforestry, AGF）、间作（Intercropping, INT）、轮作（Crop Rotation, CRT）和单作（Monocropping, MNC）——的表层土壤（0–20 cm）采集土壤样品。利用Turf-Tec入渗仪测定田间入渗，并评价Philip与Kostiakov模型。AGF下土壤质地类别为砂质壤土，而INT、CRT和MNC为壤土。AGF下土壤容重最高，可归因于质地差异。与CRT、INT和MNC相比，AGF下团聚体稳定性分别高出9.0%、23.2%和13.3%。多样化种植制度下饱和导水率高于MNC（23.99 cm h^?1），介于50.29至67.21 cm h^?1之间。与MNC相比，CRT和AGF下土壤有机碳增加22.95%–72.29%，交换性钙增加26.82%–84.14%。速效磷在AGF下最高，INT下最低。团聚体稳定性与累积入渗量按AGF > CRT > MNC > INT顺序增加。Kostiakov模型的R²（0.95–0.99）较高，MAE（0.337–0.837）和RMSE（0.5–1.4）较低，表明其更适用于NGS。结果凸显多样化种植制度，特别是农林复合和作物轮作，作为改善NGS土壤质量和增强农业恢复力的可持续管理策略的潜力。

尼日利亚北几内亚稀树草原（Northern Guinea Savanna, NGS）是重要的作物生产区域，但土壤退化、水资源短缺和降雨变率不断加剧，严重威胁土壤质量与粮食安全。当地农业生产以雨季单作为主，旱季长期裸露，加剧土壤侵蚀和肥力下降。已有研究多关注多样化种植对土壤肥力和作物产量的影响，对土壤物理性质和水文过程的关注不足，且田间入渗测定耗时费力。为此，研究人员假设多样化种植制度能够通过改善土壤质量提高水分入渗，并由入渗模型有效刻画不同种植制度间的差异。研究在阿赫马杜·贝洛大学农业研究所（Institute for Agricultural Research, IAR）的Samaru-Zaria试验场开展，选择农林复合（Agroforestry, AGF）、间作（Intercropping, INT）、轮作（Crop Rotation, CRT）和单作（Monocropping, MNC）四种长期种植制度，结合土壤属性测定与入渗模型评价，旨在识别可改善NGS土壤质量与入渗功能的可持续管理策略。结果表明，多样化种植制度总体改善了土壤团聚体稳定性、饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, Ksat）、土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）、速效磷和交换性钙；AGF和CRT的累积入渗量高于MNC；Kostiakov模型比Philip模型更适用于该区域。其意义在于为NGS乃至热带旱区推广多样化种植、提升农业气候恢复力提供了实证依据。主要关键技术方法包括：在四种种植制度下按0–20 cm采集扰动和原状土样，用Walkley–Black法测定SOC，Bray-1法测定速效磷，醋酸铵法测定交换性盐基，环刀恒水头法测定Ksat，并用传递函数模型估算团聚体平均重量直径（mean weight diameter, MWD）；使用Turf-Tec双环入渗仪开展田间入渗试验，按设定时间间隔记录累积入渗量；分别对Philip模型和Kostiakov模型进行线性化拟合，采用决定系数（R²）、平均绝对误差（mean absolute error, MAE）和均方根误差（root mean square error, RMSE）评价模型性能；用混合模型和主成分分析（principal component analysis, PCA）分析种植制度对土壤属性的影响及相互关系。

3.1 种植制度对土壤物理性质的影响：土壤机械组成存在差异，AGF为砂质壤土，MNC、INT和CRT为壤土；AGF团聚体稳定性最高（MWD 0.85 mm），顺序为AGF>CRT>MNC>INT；CRT容重最低（1.25 g cm^?3），较INT、MNC和AGF分别降低1.6%、7.4%和8.1%；多样化种植的Ksat显著高于MNC，较MNC增加26.3（INT）、34.3（AGF）和43.2 cm h^?1（CRT）。

3.2 种植制度对土壤化学性质的影响：土壤pH(H₂O)介于5.08–5.57；AGF的SOC（8.73 g kg^?1）、速效磷（23.20 mg kg^?1）和交换性钙（10.07 cmol kg^?1）最高；pH(CaCl₂)、全氮、交换性钾、交换性镁、交换性钠和电导率在各制度间无显著差异。

3.3 种植制度对土壤入渗参数的影响：各制度入渗率初期较高，随后逐渐下降，60 min后趋于稳定；AGF和CRT初始入渗率高于MNC，INT最低；累积入渗量顺序为AGF>CRT>MNC>INT，AGF较MNC高24.9%。

3.4 模型估算的种植制度下入渗参数：Philip模型参数S（吸渗率）在AGF（1.227 cm min^?0.5）、INT（1.143 cm min^?0.5）和CRT（1.031 cm min^?0.5）下高于MNC（0.730 cm min^?0.5），参数A（透水率）在多样化制度下约为MNC的4–6倍；Kostiakov模型参数E和B均在AGF下最高、MNC下最低。Kostiakov模型R²为0.95–0.99，MAE为0.337–0.837 cm，RMSE为0.5–1.4 cm，均优于Philip模型（R²=0.46–0.91，MAE=3.68–11.2 cm，RMSE=5.03–15.2 cm），表明Kostiakov模型更适用于NGS。

3.5 土壤属性与种植制度的关系：PCA前两个主成分解释58.3%的总变异；AGF与SOC、pH和速效磷正相关，而MNC、INT和CRT与黏粒、粉粒、Ksat及交换性镁相关；全氮和交换性钾紧密相关，但与Ksat方向相反。

讨论认为，质地差异主要来源于田间固有变异而非管理措施；多样化种植通过增加残体输入、根系活动和生物活性改善土壤结构，但AGF较高的容重与其砂粒含量高有关。土壤呈中度酸性，限制微生物活动和有机质周转，导致整体SOC偏低。AGF的SOC、磷和钙优势来自多年生树种的凋落物和根系周转。入渗率下降符合土壤水分运移规律；AGF和CRT因孔隙连续性和大孔隙发育而具有更高入渗能力；AGF的树木根系形成稳定生物孔隙，促进优先流。Kostiakov模型拟合优度更高，更适合当地土壤水分入渗预测。因此，多样化种植制度，特别是农林复合和作物轮作，可在尼日利亚北几内亚稀树草原作为可持续管理措施予以采用，以改善动态土壤属性和过程，增强农业恢复力。