保护性农业措施对美国俄亥俄州中部土壤物理性质影响的实地研究

《Soil Science Society of America Journal》：Assessing impact of conservation agriculture practices on soil physical properties under on-farm conditions in Central Ohio, USA

本综述通过实地研究系统评估了保护性农业措施（包括免耕NT、少耕MT）及林地/草地对五种土壤系列的物理性质影响。研究发现林地土壤具有最优的物理指标（低容重BD、低穿透阻力PR、高总孔隙度TP），而耕作措施（CT/MT/NT）在15年内未显现显著改善。土壤有机碳（SOC）与TP呈正相关（R2=0.37），与BD、PR呈负相关，证实SOC对缓解土壤压实的关键作用。研究强调长期未扰动土地利用对土壤健康的积极影响，为农业可持续管理提供实证依据。

　　

引言

保护性农业（CA）实践通过减少土壤扰动和提升有机质，对土壤物理性质产生深远影响。本研究基于美国俄亥俄州中部41个农田点的实地调查，对比了常规耕作（CT）、少耕（MT）、免耕（NT）、草地和林地五种土地利用方式对土壤容重（BD）、总孔隙度（TP）、颗粒密度（PD）及穿透阻力（PR）的影响。所有管理措施均持续15年以上，林地甚至超过50年，为评估长期管理效应提供了理想条件。

材料与方法

研究采用“空间替代时间”法，在五种土壤系列（Blount、Eldean、Pewamo、Spinks、Warsaw）的0-10厘米土层取样，使用线性混合效应模型分析数据。BD通过环刀法测定，PR通过数字贯入仪测量并校正土壤含水量，PD采用气体比重计计算，TP由BD与PD推导（TP=1-BD/PD）。模型充分考虑了土地利用（固定效应）和采样点（随机效应）的变异。

结果

1. 1.
   土壤物理性质分布：林地土壤在所有系列中均表现出最优物理状态，BD（1.09-1.16 Mg m^?3）和PR（74.1-82.6 kPa）最低，TP（0.55-0.60 m³m^?3）最高。耕作措施（CT/MT/NT）与草地之间无显著差异，且MT和NT的PR值甚至高于CT。
2. 2.
   颗粒密度（PD）：PD值稳定在2.59-2.77 Mg m^?3范围内，主要受土壤质地（黏粒含量正相关R²=0.15，砂粒含量负相关R²=0.18）影响，与SOC无显著关联。
3. 3.
   SOC的关键作用：SOC与TP呈正相关（R²=0.37, p<0.001），与BD（R²=0.33）和PR（R²=0.39）呈负相关，表明SOC每增加1%，土壤压实程度可显著降低。

讨论

林地土壤的优越性归因于长期未扰动状态下的有机质积累和结构稳定性。尽管NT和MT在减少侵蚀、节约成本方面具有优势，但本研究未发现其在15年内改善土壤物理性质的证据，可能与研究区土壤质地、气候或管理历史相关。PD的稳定性提示其作为土壤固有指标的价值，而SOC通过促进团聚体形成间接优化孔隙结构。研究局限性包括未监测深层土壤变化及缺乏时间序列数据。

结论

林地管理显著提升土壤物理健康，而保护性耕作措施（NT/MT）需更长时间（>15年）才能显现类似效益。SOC是调控土壤压实的关键因子，未来应结合土壤结构指标（如团聚体稳定性）深化机制研究。该成果为温带农业区土壤可持续管理提供了重要参考。