不同土地利用方式对印度恒河平原退化苏打土土壤性质的长期改良效应研究

《Scientific Reports》：Assessing the influence of changes in land use-land cover on soil properties of degraded sodic lands in Indo-Gangetic plains

　　本文针对苏打土退化这一全球性难题，研究了印度恒河平原地区七种不同土地利用/土地覆盖（LULC）方式对土壤理化及生物学性质的长期（20年）影响。研究发现，以牧豆树（Prosopis juliflora）与耐盐草类结合的林牧系统（Silvipastoral）在降低土壤pH、电导率（EC）和交换性钠百分比（ESP），以及提升土壤有机碳（SOC）、养分有效性和微生物活性方面效果最为显著，为盐碱地的生态修复与可持续利用提供了科学依据。

　　

在全球范围内，土壤盐渍化与苏打化是导致土地退化和威胁粮食安全的关键因素之一。据估计，全球有超过13亿公顷的土地受到盐害影响。在印度，盐渍化土壤面积约为674万公顷，其中苏打土（以钠离子危害为主）占比超过一半，广泛分布于重要的粮食产区——印度恒河平原。这类土壤具有高pH值、高交换性钠百分比（ESP）和不良的物理结构（如通透性差、容重高），严重制约作物生长，导致巨大的经济损失。传统的化学改良（如施用石膏）虽有效但受限于成本和资源可获得性。因此，探索基于生物修复的可持续土地利用模式，对于改良退化苏打土、保障区域生态安全与农业生产具有迫切需求。

为了评估不同土地利用方式对退化苏打土的长期改良效果，以Yash Pal Singh博士为首的研究团队在印度恒河平原的拉克瑙（Lucknow）开展了一项长达20年（1995-2015）的定位试验。研究成果发表在《Scientific Reports》上，题为“Assessing the influence of changes in land use-land cover on soil properties of degraded sodic lands in Indo-Gangetic plains”。该研究选取了七种典型的土地利用/土地覆盖（LULC）类型：荒地（BGL，对照）、稻-麦轮作系统（Rice-Wheat）、牧草地（Pastoral，以Panicum maximum为主）、农林系统（Silvi-Agriculture，以麻风树Jatropha为主间作作物）、林牧系统（Silvipastoral，以牧豆树Prosopis juliflora与Leptochloa fusca等耐盐草结合）、林地（Silviculture，多种多用途树种）和园艺系统（Horticulture，多种果树）。研究人员定期采集不同土层（0-15, 15-30, 30-60 cm）的土壤样品，系统分析了土壤物理（如容重BD、孔隙度、持水量WHC、入渗率IR）、化学（如pH、EC、ESP、有机碳SOC、有效氮磷钾）和生物性质（如微生物生物量碳MBC、氮MBN、磷MBP以及脱氢酶活性DHA）等一系列指标。

本研究采用了长期田间定位试验设计，土壤样品采集自预设的不同土地利用小区。关键分析技术包括：采用环刀法测定土壤容重（BD）和孔隙度；使用双环入渗仪测定土壤入渗率（IR）；通过1:2土水比测定pH和电导率（EC）；采用常规化学分析方法测定交换性钠百分比（ESP）、土壤有机碳（SOC，采用Walkley-Black法）及有效养分（氮、磷、钾）；运用氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）；并通过TTC法测定脱氢酶活性（DHA）。所有数据均进行统计学分析（ANOVA, PCA）。

效果 of different land use-land covers on soil physical properties

研究表明，不同LULC对土壤物理性质有显著影响。林牧系统（L5）表现出最佳的改良效果，其土壤容重（BD）最低（1.44 g cm^-3），孔隙度最高（56.34%），入渗率（IR）也达到最大值（24.52 mm day^-1）。相比之下，稻-麦系统和荒地的土壤物理性质改善有限。土壤质地的变化，特别是粘粒含量的增加与有机质的积累有关，农林复合系统在这方面表现突出。

效果 of different land use-land covers on soil chemical properties

在化学性质方面，所有LULC均不同程度地降低了土壤的碱化指标。表层土壤（0-15 cm）的pH和ESP在稻-麦系统中因施用石膏而显著降低。然而，在亚表层土壤（15-60 cm），林牧系统和林地显示出更强的改良能力，这归因于植物根系活动促进的盐分淋溶和钙离子对钠离子的置换作用。土壤有机碳（SOC）含量在所有农林复合系统中均显著积累，以林牧系统为最高，其在0-15 cm土层的SOC含量提升最为明显。有效氮、磷、钾含量也呈现出类似的趋势，即在林牧和林地系统中获得最大提升。

效果 of different land use-land covers on soil microbial properties

土壤微生物特性是对管理措施敏感的指标。微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）和脱氢酶活性（DHA）在林牧系统、林地和牧草地中均显著高于稻-麦系统和荒地。这表明植被覆盖度高、有机物质输入丰富的系统更有利于土壤微生物群落的恢复和活性的增强，从而驱动养分循环和土壤健康恢复。

效果 of different land use land covers on soil fertility

综合土壤肥力指标显示，林牧系统在提升各土层有效氮、磷、钾含量方面均表现最佳。这表明将林木与牧草结合的土地利用模式能更有效地促进土壤养分的固持与循环，提高土地生产力。

Principal component analysis

主成分分析（PCA）进一步证实了上述结果。第一主成分（PC1）解释了65.9%的方差，与土壤有机碳（SOC）、有效氮、磷、钾及良好的物理性质（如低容重、高入渗率）呈强正相关，而与钠离子相关参数（如ESP）呈负相关。林牧和林地系统在PCA排序图中位于PC1的正向端，表明这些系统与土壤健康的综合改善密切相关。

本研究通过20年的长期观测，有力地证明了对退化苏打土采用适当的土地利用方式进行生态修复的可行性和有效性。在七种土地利用方式中，以牧豆树（Prosopis juliflora）为核心的林牧系统（Silvipastoral）被证明是改良印度恒河平原苏打土的最有效模式。该系统通过林木和草本的共同作用，显著改善了土壤理化性质（如降低pH、ESP、容重，提高孔隙度、入渗率和有机碳含量），增强了土壤生物活性，并大幅提升了土壤肥力。相比之下，传统的稻-麦系统虽然通过化学改良在短期内能降低表层土壤的盐碱度，但对土壤整体健康，特别是亚表层土壤和微生物特性的改善作用有限。研究结果强调，将多年生木本植物（尤其是深根性树种）融入土地利用系统，是可持续管理盐碱地、实现生态与生产效益双赢的关键策略。这为印度乃至全球类似生态区域的盐碱地治理与可持续农业实践提供了重要的理论依据和实践范例。