美国南部地区土壤健康管理对农田生态系统功能的影响评估

《Journal of Sustainable Forestry》：Assessing Effects of Forest Fires on Plant Nutrients and Biomass in Northeastern Türkiye

　　这篇研究通过空间换时间采样法，系统评估了美国南部七个棉花主产区土壤健康管理措施对土壤有机碳（SOC）、团聚体稳定性（ASI）和碳矿化潜力（CMP）的影响。研究发现，因地制宜的土壤健康管理措施（如减少耕作、覆盖作物等）可使土壤健康指标提升11%-22%，达到参考植被系统潜力的11%-39%。研究强调了基于区域土壤属性（如质地、气候）建立土壤健康基准的重要性，为大规模农田生态系统功能提升提供了数据支撑。

　　

引言

随着农业生态系统管理目标的多元化，农民在保障作物生产的同时，愈发重视提升土壤固碳能力、增强养分循环和抑制侵蚀等生态功能。土壤健康指标和有机碳储量测量作为可量化的代理指标，为评估管理措施对土壤功能的短期影响提供了有效工具。然而，土壤健康数据的解读需结合区域环境背景，因为气候条件、土壤固有属性及管理实践存在显著地域差异。

研究区域与方法

本研究覆盖美国南部五个州的七个主要棉花产区，总面积约3000万公顷。研究区根据美国农业部自然资源保护局的主要土地资源区（MLRA）划分，确保各区域内部气候、母质和地形相对均一。采样聚焦于棉花轮作面积占比75%以上的土壤健康采样组（SHSG），每个区域设置三类管理系统对比：基线系统（当地主流耕作方式）、土壤健康管理系统（SHMS，包含减耕/覆盖作物等改良措施）和多年生参考植被（如牧场、果园）。

土壤采样在2021-2023年春季进行，分层（0-15 cm、15-30 cm）采集复合样品。实验室分析包括土壤有机碳浓度（SOC_conc）、团聚体稳定性指数（ASI，通过图像分析土壤崩解度计算）、碳矿化潜力（CMP，24小时培养测定）及容重等指标。同时收集纹理、pH、年均温（MAT）、年降水量（MAP）等环境协变量。

统计分析采用贝叶斯层次模型，量化管理措施与非管理因素（质地、气候等）对土壤健康指标的联合影响，并通过模型比较确定关键驱动因子。

结果与讨论

土壤质地和气候因子的区域异质性显著影响土壤健康指标。黏土含量较高的区域（如得克萨斯州海湾海岸平原）SOC_conc,0-15和CMP最高，而砂质土壤区域（如佐治亚州南部沿海平原）ASI更优。模型分析表明，质地（黏土或黏+粉粒）对指标的影响强于MAT和MAP，且跨区域关系相对一致。

与基线系统相比，SHMS在全部七个区域均显著提升至少一项土壤健康指标：SOC_conc,0-15在三个区域增加12%-18%，ASI在五个区域提升11%-19%，CMP在四个区域提高14%-22%。这些改善幅度与长期农田试验的荟萃分析结果相当，表明农民实践变化已产生可观测的土壤功能提升。值得注意的是，不同区域的主导改良措施各异（如密西西比河冲积平原的多年度垄作与佐治亚州的条耕/免耕结合覆盖作物），且各指标对管理的响应程度存在区域特异性。

参考植被系统的土壤健康潜力评估显示，所有区域的多年生植被下土壤指标均显著高于基线农田，潜在提升幅度达38%-177%。当前SHMS已实现该潜力的11%-39%，但仅少数农田（≤27%）达到参考值，表明土壤健康改善仍有较大空间。

研究局限与展望

本研究聚焦棉花主产区的高价值农田，未来需扩展至边缘土地及更精细的管理指数（如实践持续时间）分析。空间换时间设计无法捕捉指标动态波动，需结合长期监测数据深化机制理解。

总结

美国南部棉田土壤健康管理可通过区域性实践调整实现多维度功能提升。基于土壤-气候背景的基准值设定与多指标协同评估，是推动大面积农田生态系统功能优化的关键路径。