恢复土壤健康可以减少灌溉需求并缓解干旱的影响|研究

导  读

土壤健康的恢复可以为实现全球粮食和水安全提供强有力的战略基础。

Rebecca SCHNEIDER,Stephen MORREALE,Zhigang LI, et al. Restoring soil health to reduce irrigation demand and buffer the impacts of drought[J]. Front. Agr. Sci. Eng. , 20 July 2020. [Epub ahead of print] doi: 10.15302/J-FASE-2020348.

编译：于台泽、李颖

摘要

灌溉每年消耗全球四分之三的取水量。减少灌溉用水的策略需要被采取，包括提高传递方法和田间应用的效率。全面恢复土壤健康，特别是通过改良有机质，可以大大减少灌溉需求并提高作物产量。

在中国西北部的宁夏和美国北达科他州的降雨事件中，通过在土壤中掺入粗木片来恢复严重退化和沙漠化的土壤的计划成功地增加了几周中的降雨捕获量和土壤湿度。随着肥料的添加，木片的掺入进一步增加了小麦和苜蓿的生长。通过剩余草地的综合土壤健康评估制定目标参考土壤剖面，从而指导恢复的效力。考虑到大多数农业土壤都在一定程度上退化，土壤健康的恢复可以为实现全球粮食和水安全提供强有力的战略基础。

1淡水短缺和灌溉需求

作为解决在未来几十年内粮食产量的需求比2006年增加70％的解决方案，扩大灌溉的应用被提出。全球目前只有17％的农作物灌溉，但这些地区占所有农作物产量的40％。但是，当前的灌溉实践存在严重的弱点必须首先解决。每年从河流，湖泊和蓄水层抽取的供人类使用的总水量为4500 km3，灌溉已经消耗了其中的很大比例（平均70％）。这种用法直接与公共饮用水的供给竞争。作为证据，按月评估，目前有40亿人面临缺水。灌溉是最大的消费者，但还有其他用途限制了淡水的可用性，例如工业用水分流，废水处理，热电冷却和水产养殖，最终导致估计全球80％的人口面临着水安全的高风险。潜在的问题是，孤立的非综合性机构和利益相关者将所有这些不同的需求置于同一条河流或含水层上，而没有考虑对水资源本身的累积影响。

供水灌溉的转移对生态系统产生了重大影响。从河流分流大大减少了总流量和稀释废水污染物的能力，这两种污染物均威胁着渔业。含水层的透支不是很明显，但会使地下水位降低，从而导致沉降和溪流和湿地的干燥。严重的地下水透支威胁着几乎每个大陆上数千平方公里的社区和生态系统。随着全球气候变暖，干旱的频率和程度增加，所有这些问题都变得更加严重。一个关键的解决方案在于提高灌溉效率，无论是在从源头到田间调水的过程中，还是在田间施用方法上。第二种可能更有效的解决方案在于改善土壤健康。

所有灌溉的一般假设是，只有50％的水从源头抽到作物上。这是令人无法接受的高比例损失或浪费，但也为增加整体可用水量提供了明显的机会。从河流或地下水源向田间水的转移是造成水流失的主要因素，也是灌溉分析中最常被忽视的方面。大多数转移发生在广泛的运河系统中。例如，埃及的运河和沟渠系统延伸了110000公里，澳大利亚的Coleambally灌溉区有10万公顷并延伸了480公里，法国的杜兰斯河流域则延伸了4540公里[11]。在大多数情况下，运河实际上是挖入生土的大沟渠，这可以使水汽大量蒸发，但由于大多数是未加衬砌的，在水到达田间之前，深层渗流可能损失多达70％。衬砌运河是一个明显的解决方案，但实施起来却出奇地缓慢。例如，自19世纪40年代以来，长达132公里的全美运河已将水从科罗拉多河穿过美国南部的沙漠输送到加利福尼亚的帝王谷农业系统。运河开放以供蒸发并完全脱衬70年，直到2009年，衬砌仅在23公里长的运河内完成的时候。由于减少了对地下水的淋溶和补给，这已成为有争议的行动，地下水已成为可靠的水源，使地下水流过边界并向墨西哥提供湿地。水分流失的另一个主要来源与所使用的田间应用类型有关。现场应用的三种通用方法是重力，洒水和滴灌。这三种类型依次提高了向作物的水输送效率，但同时需要增加设备、技术专长和电力的使用量，这意味着生产成本呈指数级增长。对于发达国家和发展中国家的大多数小农户来说，这笔支出是无法承受的，因此如果没有补贴，将不可能推广。显然，在所有国家提高灌溉效率和减少输水损失的全面努力将释放大量的水以供公共使用或农业扩张。但是，无论使用哪种田间灌溉系统，改善土壤的健康状况，特别是改善土壤的蓄水能力，都可以大大减少灌溉需求。

2农业土壤退化与植物可用水

纵观全球农业历史，草原上的土壤通常都是肥沃的粉质壤土，由于土壤有机质含量高，因此具有极高的捕获和储存雨水的能力。以前草原可以占到全球陆地面积的40％。这些（不是森林）是半干旱地区的主要生物群落。虽然每年降雨量不足500毫米，但草原发展了多种策略以在降雨少的情况下繁衍生息。温带草原中的一个关键因素是由叶片和根的缓慢腐朽形成深层有机土壤，并在几个世纪内被地区称为Mollisols（美国），Chernozems（俄罗斯）和黑土（中国）。这些特性培育了高生产力的系统，无需补充灌溉即可支持数百万只羚羊、野牛或其他食草动物和复杂的食物网。

但是，几百年到几千年的时间里，草原已被农田取代。目前估计，全球90％的草原已被转化为种植农作物（1.53Gha）或牧草（3.38Gha）。不幸的是，长期不良的农业实践导致这些草地土壤严重退化。清除草甸和耕种土壤破坏了固定土壤的植物根系，使土壤易侵蚀。牲畜过度放牧，导致草原植物生物量下降和牧场退化。暴雨和大风带走了土壤有机、矿物颗粒。细小的粉尘和粘土颗粒被尘埃云吹走，众所周知，这是在19世纪30年代美国的“沙尘暴”期间的情景。土壤有机质不但被侵蚀，并在频繁翻耕土壤时暴露于阳光和温度波动下快速分解。

土壤健康状况的恶化是导致灌溉需求增加的第二大推动因素，并且历史上一直低估或忽视了土壤健康的恶化。尽管降水是植物的基本水源，但大多数物种都需要从根部获得可靠的土壤水分，以促进光合作用、蒸腾作用和生长。土壤捕获并保留雨水的能力决定了降雨事件之间干旱期间植物可利用的水量。植物可用水定义为在田间持水时土壤几乎饱和时所持水量与当水分保持水量达到植物无法再利用时永久枯萎点（PWP）上所持水量之间的差值。可用水持水量（AWHC）与植物可用水一样，是由土壤质地（即沙、淤泥和粘土的相对含量以及有机物含量）组合决定的。沙质土壤的持水量最低，粉质壤土的含水量最高。但是，有机物含量起着至关重要的作用。根据美国各地收集的数百个样本，Libohova及其同事确定土壤有机质（SOM）的含量范围为0至8％，而SOM（重量/重量）每增加1％，则意味着1.5％沙质土壤的AWHC增加，粉壤土或粉质粘土壤土的AWHC增加0.6％。Hudson报告说，随着SOM含量的增加，保水率甚至更高。鉴于草原向农业的转化导致有机质含量下降至原水平的一半以下，因此减少的AWHC一直被忽视。现在人们已经认识到土壤退化是一个严重的问题，这是我们粮食生产能力的关键限制因素，需要不断增加的灌溉量和化肥使用才能继续种植。可以说，文明是通过挖掘土壤的肥力和持水能力而发展起来的。Barrett和Bevis证明了退化土壤健康的连锁效应，包括土壤肥力的丧失和有机物含量的下降，导致作物产量下降和人类社区贫困加剧。在最后阶段，荒漠化将由吹动的沙丘占领地表景观，无力支撑人类的生命，撂荒耕地就会被荒漠化所取代。

3通过保护性农业恢复土壤健康

恢复土壤健康是解决减少灌溉用水和解决粮食安全这一相互关联的问题的关键。人们越来越认识到，需要从一个整体框架来评估土壤状况，同时评估其物理、化学和生物学特性。传统土壤评估方法主要集中在养分利用率和pH值的化学方面，最常见的是实现高产所需的肥料使用应用。这种评估手段非常狭隘，掩盖了问题，同时加剧了潜在的土壤系统性退化。测量物理性质（例如质地、容重和可用水率）可提供对土壤孔隙度和其他因素的关键依据，这些因素决定了雨水能渗透到土壤中并在土壤中储存的程度。最近，科学家已经意识到评估微生物健康的重要性。地下微生物食物网是必不可少的：细菌生物膜和真菌菌丝有助于稳定土壤中的微团聚体，这对于防止侵蚀、提高菌根共生体与植物根部的结合以及增加对干旱的抵抗力和养分的获取至关重要，而复杂的微生物食物网也控制着植物害虫的多样性。土壤微生物活性的直接指标包括微生物呼吸速率、生物量和酶浓度。评估不同细菌和真菌群体相对丰富度的遗传测定法越来越多，但对其相对重要性的理解仍然有限。可以说，整体土壤健康的唯一最佳衡量标准是有机质含量，因为有机质含量在增加水的储存、养分保持能力和微生物活性方面起着多重作用。考虑到所有这些方面，美国农业部现在将土壤健康定义为“土壤作为维持植物、动物和人类的重要生命生态系统的持续能力”。对所有三组属性的综合分析为评估土壤的健康状况和指导修复工作提供了强大的诊断工具。康奈尔大学的土壤健康网站上提供了土壤健康评估的整套物理、化学和生物指标的详细方案。

在保护性农业中，有一个经过广泛研究的选项工具包，可用于解决各种特定地点的土壤问题，例如过高的酸度或碱度、采矿引起的痕量重金属毒性或影响植物生长的土壤病原体。然而，成功再生土壤健康一直与两个主要战略相关：向减少或免耕农业过渡，以最大程度地减少土壤干扰；增加土壤有机质的方法，包括有机肥或覆盖作物的使用。免耕农业为微生物生态系统重建连接土壤和将土壤粘合在一起的细菌生物膜和真菌线，以及增加有机物质的积累提供必要的稳定条件至关重要。一项对610项研究的综合分析发现，在干旱气候下，如果与覆盖作物、作物残茬和作物轮作结合实施，免耕农业可以维持或提高作物产量。罗代尔研究院的创新型滚压机可以将覆盖作物压倒在农田里，从而允许大豆和一些蔬菜作物免耕种植。在需要翻耕的地方，美国农业部自然保护区计划中的新大草原条带种植（CP-43）允许保留10米宽的多年生原生大草原带与农作物间作，这被证明是对用于土壤保护和授粉媒介收益的最优折衷办法。

改善土壤健康的第二个关键解决方案是增加土壤有机质的各种方法。对土壤健康的影响在很大程度上取决于有机改良剂的类型和寿命，以及有机改性剂是简单地施用于土壤表面还是更深地掺入土壤中。在整个历史中，牲畜或人类粪便都被用来替代长期收获所消耗的营养物，并增加一些有机物。另外，玉米、大米和小麦的秸秆还田获得类似的益处。还田会对物理、化学和生物学特性产生积极影响。但是，用农作物秸秆或木片覆盖地表对于帮助保持较高的土壤水分、减少侵蚀和抑制杂草生长具有重要意义。只有经过多年的应用，覆盖层才能更深地整合到土壤剖面中。现在，作者正在评估各种的市政废弃物，例如草坪剪枝和树叶以及食品和造纸工业的废弃物，以将其用作有机物的改良剂。由于可获取性、美观性和减少杂草的影响，木片覆盖最近受到了广泛欢迎，并在全球范围内推动了数十亿美元的园林业。可以说有机改良剂比所谓的塑料覆盖物具有更大的好处。

4粗木片改良的新方法，以增加降雨捕获和土壤水分含量

对于最严重退化的土壤，即由超过90％的沙性土壤，微量的有机物含量和有限养分组成的土壤，需要采取更严格的策略。这些系统以沙丘和干燥的土壤为特征，被标记为荒漠化，但它们并不是真正的沙漠。在许多地区，这些系统在整个生长季节仍可接收大量的降雨。但是，土壤已经变得严重退化而无法捕获水，并且由于渗滤或蒸发而迅速流失。作为一支由国际科学家组成的团队，我们已经开发出一种新技术，可以将有限的现有策略工具包添加到恢复此类荒漠化景观的策略中。在过去的十年中，我们一直在测试和演示使用掺入的粗木片作为快速恢复严重退化的草地土壤的策略。

该方法的基础是将大约1-3 cm长的粗木片掺入土壤的顶部20-30 cm。使用粗木片的最初理由是由于与较常用的农作物残渣和肥料相比，它们的分解速度较慢。这样可以确保有机物存在数年，从而使土壤有足够的时间恢复。通过在中国宁夏以及在美国纽约和北达科他州进行的各种可复制的实验室试验和田间试验，我们结果显示，与未处理的对照土壤相比，木片可以捕获更多的降雨并保持较高的土壤水分含量长达数周（图1）。将木片的浓度从2％增加到11％（体积/体积）与更大的保水率相关。与未改良的土壤相比，在进行田间灌溉的地方，木片还田使整个生长季节低于PWP的天数减少了30％。最大的保水率的地方是在用细树枝覆盖在木片还田的地块上。这些庇护所由堆积在地块上的细柳树枝组成，高约30厘米，拦截约50％的阳光。每个庇护所有助于遮蔽土壤并降温，并通过降低风速来减少蒸发损失。试验四年后，所有正面结果仍然显著存在。

 图1：中国宁夏相邻灌溉水田（a）和非灌溉水田（b）的未改良土壤（对照）与三种不同处理之间的土壤体积水含量模式差异（覆盖(Mulch)=地表木片(surface-applied woodchips); Wchips = 5％ 木屑还田；Wchips + Br =木屑加树枝遮蔽物）。参见Li等,有关方法的详细信息.

我们正在综合各种研究的结果，以确定木片在土壤剖面中发挥作用的潜在机制。木片与无孔橡胶片的比较清楚地表明，木片会吸收水分，然后将其缓慢释放到周围的土壤中。有强有力的证据表明，仅靠木片就能促进土壤微生物群落的发展。与未经改良的土壤相比，在木片改良土壤中，包括微生物生物量、呼吸速率和酶活性在内的若干指标均显著提高。值得注意的是，即使土壤含水量明显增加，仅表面施用木片的处理也不会增加微生物活性（图1）。

我们进行了一系列结合木片改良剂和肥料的实验。考虑到宁夏土壤的退化程度，即使使用木片改良剂，如果没有补充营养，它们也无法支持植物的生长。在木片改良的土壤中，氮磷肥可显着提高苜蓿和小麦的生长，而在温室试验中仅使用氮肥可降低水牛草的生长。我们假设当氮过量时，快速的微生物吸收就会促使植物的磷竞争，而这一发现得到了匈牙利草原恢复中固氮作用研究的支持。在存在木片的情况下，添加液体肥料所产生的渗滤液中硝酸盐和磷的浓度和含量低于干肥料。但是，目前尚不清楚养分是通过离子交换过程保留在木片表面还是内部留在孔隙中。我们还需进行了一项试点研究，评估了在高盐碱化土壤中使用木片支持农作物的情况。结合灌溉，用木片大量改良的盐渍土在五个月内成功种植了葵花籽。相反，未经改良的相同灌溉土壤几乎没有生长（图2）。机制尚不清楚，但这种方法显示了与全球其他受土壤盐渍化影响地区的应用潜力。

我们的微观实验比较了各种木材种类以及粪便、农作物秸秆和生物炭。木材品种在保水方面的效果优于农作物秸秆，并且明显优于肥料。银白杨是宁夏田间研究的木片来源，因为它的本地供应量。该树种遍布中国的高速公路旁，作为防止土壤侵蚀的防风树，因此十分丰富且易于取用。它的树枝也可以被修剪，提供持续的木材供应。但是，我们建议高速公路上如果每三棵树用作木片材料，需用不同的树种代替，以培育更多样化、更具弹性的路边防护林带。木材种类的分解速率也有很大差异。在木片修整系统中结合使用快速分解和缓慢分解的木材，可能会带来可观的收益。特别是刺槐，它可以持续一个世纪不分解，并提供持久的生态效益。

我们建议把在退化农田周围种植混合树种的防护林带作为木片改良剂来源，还可以提供授粉昆虫的栖息地等。这种广泛的景观恢复方法结合了防护带和土壤恢复功能，从而可以为固碳提供基础。半干旱土壤的再生被认为是固碳的主要解决方案，其固碳潜力高达2–3 Gt yr–1C。在中国，退化土壤中有机碳固存的总潜力估计为105–198 Tg yr–1C。木片还田可以作为土壤碳库中的一项资本投资，但是最大的固碳速率只有在重新种植多种草木群落的情况下才会发生。此外，我们的现场试验研究表明，恢复草地以支持各种野生动植物具有巨大潜力。一年后，我们的木棚下生长着苔藓和蘑菇，并且随后有蜥蜴和刺猬定居。

 图2 在中国平娄县盐渍土壤中，在没有木片改良剂（a）和有木片改良剂（b）的情况下，在相邻土地上同时种植的向日葵作物的比较（照片：© Rebecca Schneider，2016年6月21日，下午12:04）。

我们目前的研究工作是调查残存或遗存草地的完整土壤剖面，通过了解理想的目标土壤剖面以指导我们的恢复工作。残存原始土壤是未被耕种的小块土地，具有原生植物群落，土壤表面侵蚀最小。但是，考虑到全球范围内草地向农业的转化以及长达数世纪至数千年的时间框架，在某些地区似乎很少或没有残存的原始土壤。剩余的少量残存土壤通常在自然保护区、公墓或农业边缘土地上发现。在这些调查中，我们将使用全面的土壤健康分析来量化残留土壤的物理、化学和生物学特性。参考土壤剖面的这些不同指标为诊断周围退化土壤系统中的问题提供了强大的参考工具。我们对美国内布拉斯加州东部高草草原上的原始土壤层进行的试点研究清楚地表明，与邻近农田相比，这些为耕种过的原始土层具有更高的有机质含量、更多的可用水容量和更健康的微生物群落。我们计划在整个大平原的不同草地类型上继续进行这项工作，以开发代表各种气候和土壤类型的残留土壤剖面组合。这些剖面图被证明有助于指导在类似气候和地质条件下没有残留原始土地的地区土壤恢复。例如，美国北达科他州和南达科他州的中北部草原与中国宁夏的气候和植被相似，残留的土壤剖面可能有助于指导宁夏地区的土壤恢复工作。

5结论

面对日益增加的干旱和全球变暖，使用粗木片具有解决淡水短缺问题的巨大潜力。半干旱地区或干旱地区累计每年降雨量少于500毫米，但大部分降雨量集中在生长季节，每次降雨严重不均，如多以每周1厘米或以下的小雨量，偶尔有大于3厘米的情况。木片混合的方式可以成功地从小雨量事件中捕获水，并保持高土壤湿度直到下一次事件。我们假设增加木片的浓度或将其掺入土壤剖面的更深处，也会通过捕获较大事件中的水来扩大这种益处。在更多的高强度降雨事件与更长、更热的干旱时段交替出现的情况下，该策略可能是气候变化解决方案的关键部分，并可能有助于缓解相关干旱的影响。至少，该策略将有助于减少灌溉需求。但是，如果在广泛的景观中实施，这种新方法可以同时提供恢复沙漠化土壤的解决方案，扩大退化土地生产粮食的能力，并有助于增加公共淡水供应。当农业生态系统将防护林带的木材供应与土壤恢复结合起来时，尤其是在多年生草场的修复，可能会带来大量的碳固存。促进天然草原物种群落的生长也支持传粉媒介多样性和提供栖息地，这对于农作物生产至关重要。恢复退化和荒漠化的草地土壤是我们未来生态保护的关键，它将为人类和野生动植物提供健康、可持续的自然景观。

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