保护性农业措施对美国俄亥俄州中部农田土壤物理性质的影响评估

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

本文通过实地研究系统评估了保护性农业措施（如免耕NT、少耕MT）及林地、草地对土壤容重（BD）、总孔隙度（TP）、颗粒密度（PD）和穿透阻力（PR）的影响。研究发现，林地土壤具有更优的物理结构（较低BD、PR和较高TP），而NT/MT在15年内未显著改善土壤压实状况。研究强调土壤有机碳（SOC）对改善土壤结构的关键作用，为可持续农业管理提供了重要依据。

　　

1 引言

本研究通过农场尺度的实地调查，评估不同土地利用方式（常规耕作CT、少耕MT、免耕NT、草地和林地）对美国俄亥俄州中部五种土壤系列（Blount、Eldean、Pewamo、Spinks、Warsaw）土壤物理性质的影响。农场研究能更真实地反映实际农业管理中的土壤复杂性，而保护性农业措施（CA）通过减少土壤扰动和提升有机质，对土壤健康具有长期潜力。

2 材料与方法

研究在41个地点进行，覆盖5个县的5种土壤系列，采样深度为0–10厘米。通过线性混合效应模型分析土壤BD、PD、TP和PR数据，并考虑土壤系列和土地利用作为固定效应，采样点作为随机效应。土壤BD通过环刀法测定，TP由BD和PD计算得出（TP=1?BD/PD），PR使用数字土壤紧实度仪测量，并通过土壤水分含量校正。

3 结果

3.1 数据分布

林地土壤在所有系列中均表现出最优的物理条件：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。相比之下，耕地（CT、MT、NT）和草地的BD（1.29–1.51 Mg m^?3）和PR（102.8–156.0 kPa）较高，TP（0.43–0.52 m³m^?3）较低。PD在不同管理方式间无显著差异，主要受土壤矿物组成影响。

3.2 模型分析

线性混合模型显示，土地利用对BD、TP、PR有显著影响（p<0.001），固定效应单独解释48.5%–58.1%的变异，加入随机效应后模型解释度提升至69.3%–94.1%。

3.3 关键指标关系

SOC与TP呈正相关（R²=0.37，p<0.001），与BD（R²=0.33，p<0.001）和PR（R²=0.39，p<0.001）呈负相关，表明SOC增加能有效缓解土壤压实。PD与粘土含量正相关（R²=0.15，p<0.001），与砂含量负相关（R²=0.18，p<0.001），但与SOC无显著关联。

4 讨论

林地因长期无扰动和较高的SOC积累，维持了良好的土壤结构。NT和MT在15年内未显著改善土壤物理性质，可能与研究时长不足或深层压实有关。研究强调，SOC通过促进团聚体形成降低BD和PR，而PD主要受土壤质地控制。尽管NT/MT在减少侵蚀和成本方面有优势，但其对土壤结构的改善需更长时间才能显现。

5 局限性

研究仅聚焦0–10厘米土层，未评估深层土壤变化；空间替代时间的方法无法完全排除初始差异；缺乏团聚体稳定性数据限制了土壤结构全面评估。

6 结论

林地土壤物理性质显著优于农田和草地。NT和MT措施在当前研究期内（≥15年）未显着改善土壤压实状况，未来需长期监测以验证其潜力。SOC是调控土壤物理健康的关键因子，而PD主要受固有质地支配。研究为优化保护性农业实践提供了实证依据。