自然与管理的土壤结构——基于土壤功能评价的脆弱框架

导  读

自然和管理的土壤结构因为功能与形成过程的不同，很难选取合适的评价体系，导致土壤结构的评价框架长期处于模糊之中。本文对自然和管理土壤的形成过程与特征进行了对比分析，对于免耕这一处于自然和管理土壤中间的土壤管理方式进行了阐述，并提出了一个基于土壤有机碳含量（SOC）和土壤结构度量的土壤结构评价体系。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198720306942

编译：麻虹宇

研究背景：

自然系统中的土壤结构是在生物活动、气候和土壤矿物质相互作用下的产物，这种相互作用促进了土壤中生物孔隙的形成和积累。而在耕作土地中土壤结构的管理通常需要机械破碎土壤来改善苗床，控制杂草和掩埋植物残体。近几十年间保护性耕作迅速扩展，以及为养活快速增长的全球人口而加强的耕作力度可能导致的土壤结构退化风险，都使定性和定量耕作益处的紧迫性大大增加了。然而如何定量和定性分析土壤结构依然存在困难。为了克服土壤结构的定义和功能在科学分支中长期存在的模糊性，本文提出了一个基于自然和管理土壤的不同的形成过程和功能来区分二者结构的框架。

自然和管理土壤的结构特点：

自然土壤：由生物活动及土壤自身特征等因素形成的天然土壤团聚体是稳定且具有生物地球化学活性的。在团聚体形成的过程中，有机物残渣通过生物活动包括生物高分子聚合物的结合和稳定，以及菌丝和细根包裹嵌入土壤之中，使土壤获得了机械稳定性。与此同时，自然土壤结构还可以促进有机碳的积累，保存根瘤菌和提供根系生长空间，从而有助于增加土壤生物多样性，提高生物活动的整体效应，如增加宏观孔隙度，改变土壤的运输特性，增强水分保持和气体交换，从而促进生物活动。因此一般自然土壤结构的原生土地比耕地有更高的NPP水平（但由于灌溉和施肥等投入，耕地的生产力也不一定会更低）。

图1 自然和管理土壤结构特征的草图

(a)自然土壤结构 (b)免耕和少耕土壤结构 (c)管理(耕作)的土壤结构

管理土壤：与自然土壤不同，管理（耕作）土壤的目的减小根系生长的机械阻抗，但不是特别促进土壤的生物活性。往往由于干湿循环、农机压实、防控杂草害虫以及准备苗床，松散的耕作土壤结构会迅速崩塌，使农民不得不进行一年一度的耕作任务，将土壤破碎化。这些土壤碎片由耕作的机械力形成，机械性弱且容易在湿润时黏结。但总的来说，自然土壤结构所带来的优势可部分地被耕作土壤的机械有利和统一的条件所补偿，如创造有利的耕作，减少机械阻抗，减少农作物与杂草的竞争，使土壤可以更快地吸收更深层土壤的有机质养分，以及控制病原体等。但由于耕地的最主要目标并不是保护和提高土壤的生物多样性，以及大量化肥和农药的使用，因此可能无法像天然土壤那样在起到保护本地和外来生物的作用。此外，压实的耕作层造成了特殊的机械和水文不连续性。

图2 土壤团聚体和土壤碎片示意图

(a)土壤团聚体的结构及形成过程 (b)土壤碎片的结构及崩塌过程

免耕：

免耕的好处包括刺激生态网络，增加土壤有机碳，改善土壤持水能力。但免耕条件下的作物产量强烈依赖于作物类型和气候。免耕最适用于干旱地区的旱作农业，而在潮湿的气候条件下土壤通风很重要，免耕条件下土壤密度较高，可能会限制土壤中气体的运输，而且残留的作物可能使病原体难以控制。此外，对土壤机械阻抗敏感的作物或块茎类作物在免耕条件下 的表现也往往较差。另一个问题是，免耕会导致作物产量相对于普通耕作土壤减少约 10%，且除了在最表层土壤层，即使在作物残留物返回十年之后，免耕也没有形成显著的有机碳积累。

评价土壤管理方面的差异，不仅要看它们对产量的影响，还要考虑它们通过含量有机碳等综合生态指标所反映的长期影响。

图3 免耕相对于传统耕作方式对作物产量的影响

(a)不同作物的产量 (b)不同气候条件下的产量

（差异以100%*[Yield_NT-Yield_T]/Yield_T为单位，其中T为常规耕作，NT为免耕)

土壤结构评价指标体系：

大量证据表明，随着土壤管理的变化，土壤有机碳（SOC）也会持续发生变化，目前SOC的水平和趋势是自然和管理土壤结构状态的有用指标。通常，土壤有机碳水平对土地利用方式变化的响应是不对称的：当自然土壤向管理（耕作）土壤转换时，土壤有机碳损失迅速，而相放弃耕作后土壤有机碳的恢复需要较长的时间才能达到平衡。

图4 土地利用变化引起的土壤有机碳浓度和容重的变化。

(a)土地利用变化后土壤有机碳的相对变化：从草地到农田（蓝色）将在10~20年内达到一个新的稳定状态，而从农田到草地（红色）一个世纪后也没有达到土壤有机碳稳定状态

(b)土壤容重的变化：森林转为耕地后的土壤退化比恢复更快，在给定的时间段内绝对变化有差异(红色和绿色箭头表示相似的时间段

对常规耕作和免耕的数据进行的META分析显示，常规耕作与免耕在土壤有机碳积累方面没有显著差异，或这种差异需要在几十年才能发现，然而土壤结构管理决策和干扰发生的时间尺度要短得多。因此，本文建议用土壤结构度量来补充SOC测量，这些结构度量在短时间内对土壤扰动作出迅速反应，如土壤大孔隙度(最好用生物孔隙表示)、机械阻抗或容重变化。

结论：

1、本研究的一个中心主题是自然和管理土壤结构之间的区别，这是解决过去评价标准混乱的关键一步，并且为理想的土壤结构状态的定量表示及其对生态系统服务的潜在贡献提供了一条合理的途径。

2、自然土壤结构的好处尚无法定量表示。但越来越多的证据表明，自然土壤中的生物活动可以为未来的植被生长发育提供良好基础。同时，生物活动的累积效应可以增加土壤的有机碳含量，从而增加土壤稳定性。

3、由于苗床和播种的均匀度对作物产量起到至关重要的作用，甚至可能是耕作成功的决定性因素，因此维持最低限度的耕作措置是有必要的。 

4、耕作形成的团聚体和土壤碎片可能看起来相似，但功能却大不相同。

5、免耕的做法进一步模糊了自然土壤结构与管理的土壤结构的二元分类之间的界限。

6、研究表明免耕并非普遍有益，必须根据作物、土壤和气候条件决定免耕与否。对于干旱和半干旱地区来说，免耕提供了一种环境和经济上合理的解决方案。但在另一方面，在免耕效果不佳的地区全面摒弃传统的耕作方式对农民和因全球人口迅速增长而需要的高效粮食生产是一种不利。

7、经典的度量标准往往侧重于水文功能(入渗、保水、扩散)和与植物有关的条件(通气、低机械阻抗) ，但表征方法和指标的重叠以及聚集体和碎片的集中对于这种标准而言是一个困扰。因此本文建议添加一些指标如SOC水平和动态(趋势)，以及自然土地上的长期植被覆盖（NPP）和植被密度。

展望：

1、提高对管理土壤结构的性质和作用的理解对于合理指导耕作及其农业、环境和气候后果至 关重要。

2、在自然景观的表征中纳入土壤结构的能力是量化其作为生态水文单位功能的重要一步，并有助于在地球系统模型中更好地表征土壤的水力和运输特性。

3、目前依然难以制定一个关于土壤结构的严格和普遍的定义。但是，拟议的消除围绕这一重要土壤特性的偏见的框架为制定适用于自然和管理土壤的新指标铺设了道路，并将土壤结构的表示置于定量和预测的科学基础之上。

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