不同的生产系统会影响热带土壤中磷的形态以及作物的生产力

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Diverse production systems affect soil phosphorus forms and crop productivity in tropical soil

农业系统物种多样性显著提升土壤磷有效性及作物产量，在红壤砂质土中，高多样性系统（ICLS）使深层（10-20cm）可利用磷增加68.2%，表层（0-5cm）闭蓄态磷占比降低，有机磷占比达9%，显著促进大豆和棉花增产。

　　

Jossanya Benilsy dos Santos Silva Castro | Jorge Jo?o Delfim | Laércio Santos Silva | Gabriela Castro Pires | Lenir Fátima Gotz | Juan Christyan Moreira Soares Sousa | Paulo Sérgio Pavinato | Edicarlos Damacena de Souza

巴西马托格罗索州朗多诺波利斯联邦大学，农业与技术科学研究所

摘要

多样化的农业系统与更高的物种多样性（SD）相关，可以改变土壤中磷（P）的动态，从而提高作物产量。本研究评估了在热带土壤中，不同土地利用物种多样性水平下大豆和棉花的磷形态及产量。实验设计采用随机区组设计，设置了五个物种多样性水平：非常低（VL）、低（LW）、中等（AVG）、长期平均值（AVL）和高（ICLS）。与VL水平相比，ICLS水平下的物种多样性显著增加了棉花的产量（255%）；而在2022/23年度作物中，ICLS水平也显著提高了大豆的产量。物种多样性较高的处理显著增加了土壤中最易分解的磷组分含量。Melhlich-3磷组分约占总磷的30%，有机磷约占9%，而封闭态磷组分则占土壤总磷的40%以上。在10–20厘米深度层，ICLS处理下的土壤中易分解磷的比例最高。此外，特别是在免耕系统中，应在较浅的土层（0–5厘米和/或5–10厘米）测定有效磷含量，因为这些土层中磷的积累量较大。ICLS通过增加易分解和中等易分解磷的形式，提高了土壤中磷的有效性。

引言

随着世界人口的增加，有必要调整农业生产模式以满足全球粮食需求并缓解环境问题（FAO, 2022; Yang et al., 2020）。这些农业系统高度专业化，依赖合成投入品，常常忽视了重要的生态过程（Krupek et al., 2022; Stehle and Schulz, 2015）。在巴西塞拉多地区，不适当的农业生产方式会导致严重的土壤退化问题（Barona et al., 2010）。这些系统通常采用单一作物种植，植物多样性低，长期会导致生产力下降和土壤质量恶化（Camargo et al., 2024）。土壤质量低会降低作物的生产力，因为其肥力不足。

然而，在沙质土壤中，土壤质量退化的问题更为严重，因为这类土壤的颗粒团聚能力低、阳离子交换能力弱，在某些情况下，有效磷含量也非常低（Centeno et al., 2017）。塞拉多土壤的粘土组分主要由高岭石、氧化铁和氧化铝组成，这些成分影响磷的动态，限制了植物对磷的吸收（Fink et al., 2016）。因此，这类土壤的自然肥力较低，阻碍了作物发挥其生产潜力（Mogollón et al., 2018）。这一问题在沙质土壤中尤为突出，通常与土壤中有机质含量低有关。通过采用促进物种多样性的生产系统可以改善这一状况。用于牧场的多物种种植系统被称为“功能多样性”（Davi et al., 2023）。基于精心选择的植物混合物的生产系统具有优势，例如能够沿着土壤剖面构建肥力结构，因为不同植物根系的多样性能够利用不同层次的土壤养分（Malézieux et al., 2009）。

因此，促进作物在空间和时间上多样化的保护系统可以增加土壤中的有机质含量，并改善磷等养分的动态，这些机制对提高生产系统的可持续性和韧性至关重要（de Carvalho et al., 2024, Garrett et al., 2020）。更高的物种多样性可以提高生物过程的效率，促进土壤有机质（SOM）的积累（Sarto et al., 2020, Tavares et al., 2024），增加磷的有效性，并增强微生物相互作用（Hallama et al., 2019, Silva et al., 2022），这些过程受到放牧动物等因素的影响。动物摄入养分后，大部分养分会通过排泄物返回土壤。由于只有少量养分（如磷）被动物带走（Alves et al., 2019, Haynes and Williams, 1993），因此大部分养分在系统中循环利用。根据Liu et al.（2023）的研究，放牧后植物会向根际分泌有机酸，从而增加土壤的生物活性。此外，放牧区域的初级根系生长量大于非放牧区域（Ambus et al., 2023）。此外，物种多样性还能提高生产系统的韧性，减少N₂O等温室气体的排放（de Carvalho et al., 2024），从而提高养分利用效率。

在热带（Bezerra et al., 2015, Damian et al., 2020）和亚热带（Damian et al., 2020, Guera and da Fonseca, 2022）条件下，已经进行了关于综合农业生产系统中磷形态的实验研究。这些系统会影响无机和有机磷的形式，增加易分解磷的含量，从而影响磷的动态（Bezerra et al., 2015, Costa et al., 2014）。这可能对谷物和纤维产量产生积极影响。然而，关于塞拉多地区和沙质土壤中物种多样性与磷动态关系的研究较少。同时，随着时间的推移，提高土壤有机质的农业生产系统也能增加中等易分解磷的形式，但这些形式在常规肥力分析中通常未被检测到。因此，具有较高物种多样性的系统中，由于植物和动物残余物的不同添加，预计会积累更多易分解的有机和无机磷。然而，相关研究仍然不足，尤其是在免耕系统中，关于土壤剖面中磷有效性的分布、物种多样性、沙质土壤以及谷物和纤维生产方面的研究更为缺乏。

关于放牧与塞拉多土壤中磷形态关系的信息尚不充分。本研究的假设是：放牧与植物多样性的增加可能提高沙质壤土中磷的有效性，从而提高大豆和棉花的产量。本研究旨在探讨物种多样性水平对塞拉多地区马托格罗索州沙质壤土中磷形态及大豆和棉花产量的影响。

研究区域

本研究在巴西马托格罗索州朗多诺波利斯市的马托格罗索棉花研究所（IMA）实验区进行（坐标：16°33'26.9", 54°37'58.3" W，海拔312米），该研究所成立于2017年。该地区的土壤被归类为红壤Ultisol，质地为沙质壤土。根据K?ppen气候分类，该地区属于Aw气候类型（Alvares et al., 2013）。雨季为10月至4月，旱季为

物种多样性对土壤磷动态的影响

物种多样性显著影响了所有深度层次的土壤磷组分，但这些影响的程度和方向因磷形态和土壤层而异（图2）。在0–5厘米的表层，低多样性处理下的有效磷含量最高，比高多样性处理增加了84.2%。而在5–10厘米深度层，中等多样性处理下的有效磷含量最高；在10–20厘米深度层，高多样性处理下的有效磷含量增加了68.2%

物种多样性对土壤磷形态的影响

研究区域0–20厘米深度层的有效磷含量为54.1毫克/分米3（表1），即使对于粘土含量低于15%的土壤来说，这一数值也属于较高水平。这一数值是该土壤类型临界值18毫克/分米3的2.5倍（Sousa and Lobato, 2004）。高磷含量可归因于所采用的肥力管理措施，即持续施用矿物磷酸盐肥料以满足作物需求，尽管该土壤为沙质壤土

结论

物种多样性对土壤磷动态有显著影响，促进了不同深度磷形态的变化及其分布。在综合种植-养殖系统中，高植物多样性有效提高了土壤中有机磷的形式，同时减少了封闭态磷的含量，并使易分解磷集中在表层。这一过程主要得益于

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Edicarlos Damacena de Souza表示获得了Agrisus可持续农业基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Agrisus基金会（项目编号3049/21）的支持，同时感谢国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的生产力资助，感谢CAPES提供的研究生资助，感谢IMA-MT提供的实验场地，以及Funbio和PRS Cerrado提供的部分财务支持。