保护性农业提升生态系统服务与可持续性：基于印度小麦种植系统的实证研究

《Scientific Reports》：Conservation agriculture enhances ecosystem services and sustainability of the system over conventional agriculture

　　本研究针对传统农业导致的生态系统服务退化问题，在印度哈里亚纳邦开展保护性农业(CA)与常规耕作(CT)的对比研究。通过量化供给、调节和支持三大类生态系统服务(ES)，开发了生态系统服务可持续性指数(ESSI)，并利用空间插值技术绘制了服务增益图谱。结果显示，长期实施CA的区域ESSI指数显著提升，土壤有机碳(SOC)储量增加5.54 Mg ha-1，粮食增产42%，证实CA可有效促进系统可持续性。

　　

在全球粮食安全与生态环境矛盾日益突出的背景下，如何实现农业可持续发展成为重大挑战。传统农业依赖密集型耕作，虽然短期内提高了产量，却导致土壤退化、地下水污染和温室气体排放加剧。以印度恒河平原为例，过度使用氮肥导致20%地下水硝酸盐超标，农业贡献了13-21%的全球温室气体排放。这种"高投入、高产出"的模式难以持续，亟需向更环保的农业生产方式转型。

保护性农业(Conservation Agriculture, CA)作为一种创新模式，通过最少耕作、永久土壤覆盖和作物轮作三大核心原则，试图在保障产量的同时修复生态系统。然而，CA在实际推广中面临关键问题：其对多重生态系统服务(Ecosystem Services, ES)的提升效果缺乏系统量化，不同区域实施效果的空间变异不明确，且缺乏综合评估可持续性的工具。为此，印度农业研究所等机构的研究团队在《Scientific Reports》发表了最新成果，通过构建生态系统服务可持续性指数(ESSI)，首次对印度小麦种植系统进行了全面评估。

研究团队选取印度哈里亚纳邦的卡纳尔和凯塔尔县为研究区，这两个地区代表印度西北部印度河-恒河平原的小麦主产区。研究人员在2021-2023年小麦生长季，从150个农田采集土壤样品（0-15 cm深度），其中120个样品来自实施保护性农业和常规耕作的对比田块，另外30个来自纯常规耕作田。通过田间实测、实验室分析和农户问卷调查，量化了三大类生态系统服务：供给服务（粮食和秸秆产量）、调节服务（土壤有机碳储量、有效氮磷钾、水保持服务等）以及支持服务（土壤形成、土壤肥力等）。

关键技术方法包括：（1）采用反距离权重插值法生成生态系统服务空间变异图谱；（2）基于九项关键指标（土壤有机碳储量、有效氮磷钾、土壤呼吸、氧气供应、水保持服务、土壤形成和产量）构建生态系统服务可持续性指数，将研究区域划分为退化、脆弱、可持续但依赖投入、可持续和热点五个等级；（3）通过经典统计和空间分析评估CA与CT系统的差异。

空间变异性分析

土壤理化性质的空间分布呈现明显规律。卡纳尔县的尼洛赫里区块土壤容重最低（1.34 Mg m^-3），孔隙度最高（49%），而传统耕作区土壤容重高达1.77 Mg m^-3。土壤有机碳含量在CA实施区达0.93%，显著高于CT区的0.43%。空间插值图清晰显示，尼洛赫里等长期实施CA的区域在土壤结构、养分有效性方面均优于传统耕作区。

保护性农业对生态系统服务的提升

在供给服务方面，CA使小麦籽粒产量增加0.77 t ha^-1（增幅42%），秸秆产量增加1.10 t ha^-1。调节服务提升更为显著：土壤有机碳储量增加5.54 Mg ha^-1，有效氮、磷、钾分别增加85.7、11.7和87.1 kg ha^-1，水保持服务提升332.9 m³ ha^-1。支持服务中，土壤形成速率提高136.04 kg ha^-1 yr^-1（增幅178%），土壤对氮磷钾的贡献量也显著增加。

生态系统服务可持续性指数评估

ESSI指数评价显示，卡纳尔县指数值（1.48-7.60）总体高于凯塔尔县（1.22-6.24）。研究区150个村庄中，67个处于"退化"状态，28个为"脆弱"，38个为"可持续但依赖投入"，仅17个达到"可持续"标准。空间分布表明，尼洛赫里等长期实施CA的区域ESSI值最高，而阿桑德等传统耕作区则处于退化状态。

本研究通过构建ESSI指数和空间可视化分析，证实保护性农业能显著提升农业生态系统的多重服务功能。长期实施CA（9年以上）的区域，土壤物理结构、养分循环和水文调节功能明显改善，系统可持续性显著增强。研究成果为政策制定提供了重要依据：首先，ESSI指数可作为区域农业可持续性诊断工具，帮助识别优先干预区域；其次，空间明确的服务增益图谱为生态补偿政策（如PES）提供了量化基础；最后，研究证实CA是实现联合国可持续发展目标（SDGs）的有效途径，特别是在保障粮食安全的同时改善生态环境。尽管研究存在文化服务量化不足等局限，但为农业生态系统服务研究提供了新范式，对全球类似区域的农业转型具有重要借鉴意义。