通过增加半干旱农业生态系统中的土壤有机质和微节肢动物多样性来提升土壤生物质量：新鲜植物剪枝废弃物比干燥处理后的植物剪枝废弃物更有效

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Enhancing soil biological quality by increasing soil organic matter and microarthropod richness in semi?arid agricultural ecosystems: Fresh surpasses dried plant clipping amendments

本研究在半干旱区对比新鲜与干燥秸秆还田对土壤微生境及微土壤动物群落的影响，发现新鲜秸秆显著提升有机质（+22.6%）、孔隙度及水分储存（+17.9%），降低温度，同时增强微土壤动物多样性（+151.7% FAI）及体型特征，表明新鲜秸秆更有效促进土壤生态功能。

　　

邵慧敏|程振|王东|乔江波|谢英格|朱元军|吴高林

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学土壤与水资源保护及荒漠化控制国家重点实验室，邮编712100

摘要

农业废弃物可以作为有机改良剂来提高土壤肥力和土壤生物多样性。然而，在半干旱地区，新鲜秸秆与干燥秸秆在调节土壤微生境和微型节肢动物群落方面的相对效果尚未得到充分量化。本研究（2021–2024年）在半干旱地区进行，旨在探讨新鲜和干燥植物残渣对土壤微生境以及微型节肢动物的多样性、结构、形态和功能的影响，并在初次施用后的第三年和第四年进行了评估。结果表明，两种植物残渣均显著增加了土壤有机质（新鲜秸秆：+22.6%；干燥秸秆：+16.3%）、孔隙度和水分保持能力，同时降低了土壤温度。新鲜秸秆还提高了土壤湿度（+17.9%）并降低了pH值。相应地，新鲜秸秆对微型节肢动物的数量、丰富度和体型增加的作用比干燥秸秆更显著，并使基于数量的动物指数（FAI）提高了151.7%（是干燥秸秆效果的4倍）。在新鲜秸秆处理下，微型节肢动物群落结构向腐生型转变，种间异质性降低。冗余分析和随机森林分析显示，土壤有机质和微型节肢动物丰富度是FAI的主要预测因子。结构方程模型进一步表明，植物残渣主要通过增加土壤有机质和微型节肢动物丰富度间接改善了FAI。这些发现表明，新鲜植物残渣在改善土壤微生境和增强微型节肢动物的多样性、形态和功能方面比干燥秸秆更有效。这有助于稳定土壤食物网并提高动物群落质量，从而为半干旱农业生态系统的可持续有机管理提供了科学依据。

引言

节肢动物具有极高的多样性，在陆地生态系统中占动物生物量的近一半（Bar-On等人，2018年；Rosenberg等人，2023年）。土壤节肢动物通过其摄食活动、挖掘行为以及在农业生态系统中的养分扩散作用，执行许多生态功能，包括枯落物分解、有机质循环和土壤结构改良（Bardgett和van der Putten，2014年；Gaigher等人，2025年）。由于它们对微生境扰动的高度敏感性，土壤节肢动物已成为评估土壤健康状况和农业管理效果的关键生物指标（Menta等人，2018年；Silva等人，2024年）。例如，基于数量的动物指数（FAI）通过整合土壤动物群的多样性、功能特征和数量特征来评估土壤健康状况（Yan等人，2012年）。它们的功能特征与形态和生理特性密切相关，这些特性可以表征物种特定的生态偏好和环境耐受限度（Yin等人，2020年；Moretti等人，2017年）。然而，越来越多的研究表明，持续的土地利用变化和集约化对土壤生物多样性产生了广泛影响（Eisenhauer等人，2012年；Veresoglou等人，2015年），导致微生物和动物群分类多样性减少、动物数量和生物量下降以及群落组成改变（Veresoglou等人，2015年），而由于农业用地的广泛退化，土壤节肢动物多样性也在下降，这一趋势预计会随着气候变化的持续而加剧（Kardol等人，2011年；Bar-On等人，2018年；Pawar等人，2024年）。集约化耕作方式导致的节肢动物群落组成和生物多样性的变化可能威胁到基本的生态系统功能，并严重削弱农业生产系统的韧性（de Vries等人，2013年；Tsiafouli等人，2015年）。

全球每年产生的作物秸秆量超过50亿吨（Li等人，2025年）。秸秆还田已成为恢复土壤健康、提高作物产量和保护生物多样性的关键可持续农业实践（Huo等人，2024年；Cheng等人，2025a）。秸秆富含必需养分，能改善土壤的重要物理化学性质，如有机质含量、团聚体稳定性、热缓冲能力和孔隙度（Bescansa等人，2006年；Deng等人，2022年；Liu等人，2023a）。然而，相关研究表明，秸秆残渣的干燥程度不同会导致其物理状态和化学成分的变化，从而通过多种途径影响土壤生态过程（Pordesimo等人，2005年；Wu等人，2024年）。与干燥秸秆相比，新鲜秸秆含有更多的养分和可溶性碳水化合物，以及更多的化学成分，如有机酸和可溶性糖类。这些成分可以更早地渗透到土壤中，从而刺激微生物活动（Wang等人，2002年；Cao等人，2015年；Zhang等人，2021年）。此外，新鲜秸秆的含水量更高（Zhang等人，2025年）。结合这些物质的优点，新鲜秸秆的分解速率更快，养分释放能力更强，进而加速了微生物代谢活动并重组了微生物群落组成（Wang等人，2002年；Zhang等人，2024年；Cheng等人，2025b）。长期来自秸秆分解的养分输入不仅增加了植物生物量，还促进了土壤动物生物量和多样性，体现了资源改良的连锁效应（Pace等人，1999年；Eckert等人，2020年；Kelly等人，2021年）。通过改善土壤生境质量，秸秆还田可能直接有利于土壤节肢动物的多样性和生物量（Liu等人，2024年；Liu等人，2025b；Mamabolo等人，2024年）。此外，它还通过自下而上的营养级联作用间接影响节肢动物群落的组成、数量和多样性（Hunter和Price，1992年；Whalen等人，2022年；Mamabolo等人，2024年）。因此，研究新鲜和干燥植物秸秆对农业土壤节肢动物的不同影响是必要且值得的。

半干旱地区的农业生态系统面临三个基本限制：集约化耕作方式、长期水资源短缺和脆弱的土壤肥力（Cheng等人，2025b）。由于玉米具有高水分利用效率、低管理要求以及在缺水环境下同时可用于粮食生产和沼气生产，因此被广泛种植（Saowong等人，2022年；Haefner等人，2023年）。尽管玉米种植产生了大量秸秆残渣，但其高效和可持续利用仍有限，这凸显了改进管理策略以最大化其生态效益的迫切需求（Brussaard等人，2007年）。目前，通常使用粗糙且干燥的秸秆；然而，它存在许多局限性，包括分解速率慢、氮储存能力低和保水能力差（Nikitin等人，2023年；Li等人，2025年；Cheng等人，2025a）。最近的研究发现，在干旱和半干旱系统中，与添加干燥且体积大的秸秆相比，将新鲜玉米秸秆残渣混入土壤可以创造相对凉爽、湿润且更稳定的微生境。这种微生境通常可以缓解与干旱和极端温度相关的生理压力，从而提高土壤细菌的多样性（Cheng等人，2025b）。这种现象可能更有利于维持土壤节肢动物的多样性和功能完整性（Haefner等人，2023年；Pawar等人，2024年；Wang等人，2025年）。然而，新鲜切碎的秸秆对半干旱农田中土壤节肢动物的具体影响仍需深入研究。

秸秆还田通过促进玉米残渣作为宝贵生物资源的再利用，为半干旱地区的可持续农业实践提供了有希望的解决方案（Nikitin等人，2023年）。目前，关于作物秸秆还田对土壤节肢动物影响的研究主要集中在土壤节肢动物群落对不同量秸秆添加的反应上（Liu等人，2024年；Liu等人，2025b）。秸秆残渣可能加快秸秆的分解速率并在较短时间内改善土壤微生境，且新鲜秸秆残渣比干燥秸秆残渣更容易分解（Cheng等人，2025b）。然而，关于不同形式的秸秆残渣，特别是新鲜与干燥残渣，对半干旱地区土壤节肢动物群落的影响知之甚少。为填补这一知识空白，我们进行了田间实验（2021–2024年），定量比较了新鲜与干燥秸秆残渣改良对半干旱农业系统中土壤微生境性质以及土壤微型节肢动物群落的组成、形态、多样性和功能的影响。具体假设如下：（1）秸秆残渣改良可以改善土壤结构和微生境条件（即增加土壤孔隙度、有机质和湿度），从而提高微型节肢动物的多样性和体型，改变群落组成，并提高FAI；（2）由于新鲜秸秆含水量高且分解速率快，其对土壤微生境改善、微型节肢动物多样性和体型的影响比干燥秸秆更强。为了验证这些假设并阐明植物残渣改良通过土壤性质、微型节肢动物多样性和群落特征驱动变化的潜在生态过程，我们进一步进行了研究。

研究地点

本研究位于中国山西省西部的吕梁市（37°19′N，111°04′E），属于黄土高原的半干旱地区。该地区具有温带季风气候，年平均气温为10.1℃，年平均降水量为450–700毫米，主要集中在夏季。年平均无霜期为183天，年平均日照时间为2551.9小时。根据世界参考标准，该研究区域的土壤被归类为钙质风化土。

新鲜和干燥植物残渣改良对土壤变量的影响

与非改良土壤相比，新鲜和干燥植物残渣均显著增加了土壤孔隙度、水分保持能力和有机质含量，同时显著降低了土壤温度，其中新鲜秸秆改良的效果更为显著（p<0.01；图2和表S1）。具体而言，与未改良土壤相比，新鲜和干燥植物残渣分别使土壤孔隙度增加了22.58%和16.85%，水分保持能力增加了14.85%和7.94%

新鲜和干燥植物残渣改良改善了土壤微生境

我们的研究发现，新鲜和干燥植物残渣改良增加了土壤孔隙度。这主要是由于有机质的积累和土壤容重的降低（Zhang等人，2025年）。这些过程促进了土壤团聚体的形成，减少了土壤压实，从而增加了团聚体之间的孔隙空间，最终提高了土壤孔隙度（Bescansa等人，2006年）。在半干旱地区，土壤水分状况对调节...

结论

我们得出结论，将植物残渣混入土壤是半干旱农业生态系统中非常有效的管理措施，显著改善了土壤微生境质量、微型节肢动物多样性、形态特征和土壤生物功能，其中新鲜秸秆改良的效果优于干燥秸秆改良。改善的土壤结构、更好的水热条件和增加的土壤有机质促进了更多样化、体型更大且功能更活跃的...

作者贡献声明

乔江波：撰写——初稿；项目管理。王东：撰写——初稿；审稿与编辑；撰写——初稿；可视化；方法学；调查；正式分析。邵慧敏：撰写——初稿；可视化；调查；正式分析。朱元军：撰写——初稿；资金筹集。谢英格：撰写——初稿；项目管理。吴高林：审稿与编辑；撰写——初稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢匿名审稿人对手稿提出的建设性建议和评论。本研究得到了陕西省农业农村厅农业科技创新项目（2025JCQY008）和国家自然科学基金（NSFC 41722107）的资助。