在田间尺度评估土壤健康:把参考土壤和采样策略放在一起
有越来越多的倡议——例如教育努力和激励计划——促进覆盖作物作为实现土壤健康目标的一种方式。然而，评估农田覆盖作物的“成功”可能具有挑战性。评估覆盖作物影响的部分挑战是由于土壤变异的固有来源、测量方法的差异、测量特性等。
尽管存在这些变化和差异，但重要的是要跟踪管理做法的变化(例如，从冬季裸露土壤到覆盖耕种土壤)如何改善土壤。可以使用各种土壤采样策略来确定这些改进可能是什么。你可能还对土壤健康和农业产出(如经济作物产量)之间的关系感兴趣，以便能够回答以下问题:
- 覆盖作物在土壤健康方面的现实或可获得的收益是什么?
- 土壤健康评估的抽样策略是否与标准土壤测试的抽样策略相同?
- 与覆盖作物有关的土壤健康收益如何与粮食产量相关?
我们最近发表的研究数据来自于美国国家自然资源委员会内布拉斯加州土壤健康倡议有助于阐明与这些主题相关的常见问题。我们特别强调了参考土壤、土壤健康与经济作物产量之间的联系以及采样策略的重要性。
要点1:比较来自“参考”土壤的土壤健康指标，以及来自改良(覆盖作物)地区和对照/检查(无覆盖作物)地区的土壤健康指标，可以增进对管理影响的了解。
量化覆盖作物是否带来了最多的土壤健康效益的一种方法是将土壤指标与来自理论“参考状态”的基准值进行比较。这些参考地点应该在一个包括土壤健康管理所有四大支柱(增加多样性、全年覆盖和活根，以及长期减少土壤扰动)的系统中。
参考状态的概念并不新鲜。它已经被应用多年来了解牧场的健康状况。但参考状态在农业土壤健康研究中的应用仍处于发展阶段。例如，unl - nrc的合作工作正在发展的概念土壤健康差距土壤健康研究所采用的概念是土壤健康目标评价具有相似潜力的土壤的健康状况。
按照同样的思路，我们选取了代表多年生草地的站点作为参考州。这些确定的参考地点被用于确定四个附近(< 3英里)“覆盖作物与无覆盖作物”农场重复条带试验的土壤健康基准。我们比较了在有和没有覆盖作物(农场处理条带)的玉米-大豆轮作3年后从这些地点收集的土壤测量值与参考土壤(多年生草地站点)获得的值的关系。为了计算“相对土壤健康指数”，我们简单地将每个农场处理区域的土壤性质测量值与参考土壤站点获得的土壤性质测量值进行了划分——本质上是一个比值，以了解农场处理区域的土壤性质与参考状态土壤的差异(图1)。
在下图中，我们研究了多种土壤物理(入渗、团聚体稳定性)、化学(硝酸盐、CEC、有机质)和生物(酶活性)属性的“相对土壤健康指数”值。我们观察到，在Greeley、Colfax、Howard和Merrick研究地点，玉米-大豆轮作覆盖种植三年缩小了土壤健康的差距——相对土壤健康指数值与参考土壤值的接近程度(图1)——分别缩小了55%、28%、17%和14%。
四个农场站点都测试了覆盖作物与无覆盖作物的对比;然而，覆盖作物管理的响应程度却不尽相同。当农田长期(10年以上)免耕，以及当覆盖作物管理做法，例如品种选择和种植/终止日期，导致覆盖作物春季生物量积累超过每英亩2 500磅时，土壤健康得到了更大的收益。内布拉斯加州利用覆盖作物获得更大的土壤健康效益，需要重新考虑目前的覆盖种植方法，以最大限度地提高覆盖作物生态系统服务与农民伙伴共同创造研究．
带回家的信息#2:土壤健康指标本身并不是目的。
对土壤健康的投资回报是什么?要回答这个问题，需要在土壤健康指标和农业产出之间建立更好的联系。由于作物产量是农场盈利能力的重要组成部分，并且是在我们的农场地块上估算的，我们分析了相对土壤健康和玉米/大豆产量之间的关系。
值得注意的是，土壤健康状况的改善与经济作物产量的增加有一定的关联，但这种关系有些弱或中性。一个类似的研究在德克萨斯州的农场玉米田里进行的研究表明，哈尼土壤健康工具的测量结果与谷物质量(蛋白质和油含量)的相关性很小。另一项研究强调必须更好地理解土壤健康指标与农艺成果之间的关系以及过去农田管理决定的遗留问题。
这项研究和其他农场研究的结果，包括覆盖作物研究内布拉斯加州农场扩展研究网络，并没有始终证实对土壤健康投资回报最多的乐观预测(比检查处理更高的ROI)。许多使用土壤健康管理方法的有经验的农民报告产量没有变化或下降。我们相信进一步的研究可以更好地解释全面经济评估的做法，正如土壤健康研究所最近在内布拉斯加州而且其他州．此外，未来的研究可以将土壤健康作为影响作物产量潜力的主要因素(水、养分、杂草和疾病)的微调，而不是可达到的作物产量的数量。华盛顿州立大学的研究人员最近提出了这一观点;的微调有详细的说明营养物质而且水土壤健康改善的有效性。
要点3:将土壤健康研究提高到农场研究规模需要仔细考虑土壤取样方法的作用。
可靠和持续地评估土壤健康从适当的土壤取样开始。在我们的研究中，我们从空间和时间尺度的角度研究了减少现场测量不确定性所需的最低入渗试验次数的策略。根据SSURGO地图单元，确定处理区域内的渗水测量点。我们的研究结果表明，采样强度需要足够高(每种土壤类型的每个采样点进行5次随机测量，每4到5英亩采样一次，而每个采样点进行1到2次测量)才能准确地反映覆盖作物对农田尺度土壤性质的影响。
当考虑到农田的采样强度和土壤健康分析时，准确性和成本之间肯定存在权衡。从同一领域收集更多的样本提高了准确性，但也增加了费用和时间消耗。扩大土壤健康研究的规模(例如，田野与流域规模的对比)当然需要密切考虑采样方法及其各自的准确性和成本权衡。
有关这项工作的研究结果的更多细节，请参阅此处发表的文章:
克鲁佩克，F. S.，米兹罗，S. M.，雷德费恩，D.和巴什，A.(2022)。评估覆盖作物如何在农场试验中缩小土壤健康差距。农业与环境通讯,7,e20088。https://doi.org/10.1002/ael2.20088
致谢
作者要感谢自然资源保护署(usaid - nrcs)和Robert B. Daugherty粮食换水全球研究所(DWFI)的资金支持。
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