热带砂质土壤农艺系统下农用石膏推荐方法的比较评估

《Discover Agriculture》：Comparative evaluation of agricultural gypsum recommendation methods in tropical sandy soils under agropastoral systems

　　

农用石膏对于土壤矫正、中和有毒铝以及增加肥力至关重要，从而促进更高效和可持续的农业发展。一项挑战在于文献中存在各种各样的方法论，它们推荐不同的剂量并在土壤中产生不同的响应。这项于2017–2020年进行的随机区组实验（4个重复）比较了五种石膏推荐方法对一种农艺管理下的砂质老成土（Ultisol）的效果，评估了化学和物理土壤属性（0–0.20米和0.20–0.40米深度）以及作物生产力（玉米、马兰杜牧草、大豆）。石膏增加了盐基总量（SB）、盐基饱和度（V%）、阳离子交换量（CEC）和有机质（OM），有利于土壤团聚。土壤剖面的改善有效增加了深层的有机质（OM），这有助于养分循环并进而提升V%和CEC，尤其是在施用石膏的处理中，主要是T3（Vitti等人方法）和T5（Raij等人方法）。Vitti方法在提高马兰杜虎尾草的干物质产量和后续大豆作物方面表现突出，而Souza、Lobato和Rein的方法以及Raij的方法在降低酸度和提高pH值方面更为有效。在评估的农业年份中，不同的处理对P、K、Ca和Mg等养分水平的贡献交替变化。然而，使用石膏的处理对这些养分的水平贡献最大，包括在深层土壤中。处理T2（Souza、Lobato和Rein方法）和T5（Raij等人方法）在改变深层土壤剖面方面最为有效，显示出更高的钙含量和更低的铝含量。因此，石膏的使用被证明对改善热带砂质土壤的肥力和生产力至关重要。

**研究背景与意义**
全球人口的持续增长（目前已约82亿）对在现有耕地上提高生产力提出了迫切需求，这已成为实现有效和再生性农业体系的关键。为此，研究人员将系统方法引入日常农业实践，注重构建满足不同植物物种营养需求的土壤剖面，同时结合作物轮作和保护性耕作等保育方法，以提高生产力并促进可持续技术，帮助作物应对气候变化造成的胁迫。这种方法对于物理和化学特性通常更不利于形成肥沃剖面的砂质土壤尤为重要。一种构建土壤剖面的技术是施用农用石膏作为深层调理剂，旨在促进深层土壤的有益化学变化，这有利于根系生长，帮助土壤探索，并为作物提供更好的支持，特别是在应对水分胁迫方面。由于热带土壤大多高度风化，有毒铝（Al³⁺）的存在很常见，它会抑制根系生长，阻碍土壤探索、养分吸收，并增加对干旱和长时间水分亏缺的敏感性。因此，石膏的调理作用——通过淋洗Al³⁺穿过土壤剖面——对于为作物构建适宜的肥力至关重要。尽管石膏在农业中的使用已成为现实，但一些研究，特别是关于推荐方法的研究，仍需进一步澄清。旨在保持土壤健康的技术（如石膏施用）用于以平衡的方式维持农业生产，而不损害肥沃土壤形成的基本支柱——化学、物理和生物。文献研究表明，农用石膏施用的效果可以在系统中持续多年。总体而言，系统管理越好，农用石膏在构建土壤剖面方面的使用就越有效，有毒离子浓度越低，肥力和微生物活性越高。因此，像农艺系统（Agropastoral Systems, APS）这样的综合系统对于平衡这些支柱和促进生产越来越重要。农艺系统（APS）将农业和畜牧业整合在同一块土地上，旨在最大化生产和利润。其众多优势包括通过更高效的土地利用实现生产多样化、动物粪便和作物残留物带来的自然施肥（这增加了土壤有机质（OM）输入）以及作物的多样性（这增强了生物多样性并增加了不同物种的产量）。最大化土地利用对于可持续性和平衡农业系统至关重要，因为各种活动和作物轮作涉及不同形式的土壤开发，从而增加OM输入，这对于构建肥沃的土壤剖面至关重要。每种推荐农用石膏的方法论都考虑了一个特定的土壤分析参数，在这种情况下可能会导致系统响应出现差异。在APS中，由于土地利用方式多样以及牧草在系统中存在时间更长，响应可能有所不同。因此，测试这些方法论以确定最有效的方法，可能会改善结果，甚至通过识别能提供最佳石膏施用量的方法来降低成本。不同农用石膏推荐方法论的效果可能因土壤类型和系统管理实践而异，这些因素可能导致土壤肥力、土壤物理性质和作物生产力产生不同的响应，因为每种方法论考虑了不同的计算基础和土壤属性。基于这一前提，本研究的目标是评估在热带农业中广泛使用的五种农用石膏推荐方法论中，哪一种在改善土壤肥力、物理性质及其对不同作物生产力的影响方面最为有效，这些作物生长在具有砂质纹理的老成土（Ultisol）上，并采用农艺系统管理。

**关键技术方法**
研究人员在巴西圣保罗州沃图普朗加（Votuporanga）的一个具有砂质纹理的老成土试验站，开展了一项为期四年（2017-2020）的随机区组实验，设置了六种处理（五种石膏推荐方法加一个不施石膏的对照）。主要评估了石膏施用对土壤剖面（0-0.20米和0.20-0.40米）的化学属性（如pH、盐基总量、铝含量、阳离子交换量）和物理属性（如团聚体稳定性）的影响，以及对轮作系统中玉米、马兰杜牧草（*Urochloa brizantha* cv. Marandu）和大豆产量的影响。关键的技术手段包括：对土壤样本进行系统的理化性质分析；在多年内定期测定作物产量构成和干物质产量；运用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）等多元统计方法，对复杂的土壤属性数据和作物产量进行综合比较与降维分析，以区分不同处理的效果。

**研究结果分析**
**2017/2018种植季结果**
在该种植季的0-0.20米土层，主成分分析（PCA）结果未能明显区分出某一特定处理有绝对优势，但显示处理T2（Sousa, Lobato and Rein方法）和T5（Raij et al. 方法）在减少铝含量和铝饱和度（m%）方面更为有效。这可能与这两种方法根据土壤粘土含量计算石膏剂量有关，在砂质土壤中可能提供了更合适的施用量。在0.20-0.40米深层土壤，PCA分析表明，处理T2和T5在构建土壤剖面、维持深层土壤较高养分水平方面更为有效，显示出更高的硫（S）和阳离子交换量（CEC），同时具有较低的铝和铝饱和度。相比之下，不施石膏的对照处理（T6）以及T4（Demattê方法）则表现出较高的酸度和铝饱和度。

**2019/2020种植季结果**
到了2019/2020种植季，在0-0.20米土层，PCA分析清晰地将处理分成了两组：T2和T5处理组与较高的有机质（OM）、钙（Ca）、磷（P）含量和pH值相关联；而T3和T6处理组则与较高的铝饱和度、交换性铝和潜在酸度相关。值得注意的是，T2和T5处理在维持深层土壤（0.20-0.40米）的改良效果方面依然显著，它们与较高的钙、硫含量和pH值，以及较低的铝和铝饱和度紧密相关，再次证实了其在改善深层土壤化学状况方面的有效性。

**土壤物理性质与作物产量结果**
土壤物理性质的PCA分析显示，处理T2、T4和T5对改善土壤结构有积极贡献，特别是与较高的钙含量和大于2毫米的团聚体比例相关。作物产量方面，在2017/2018季，虽然处理间差异不显著，但施用石膏的处理，特别是T3（Vitti et al. 方法），在马兰杜牧草干物质产量上表现最优。这种良好的牧草生长为后续大豆创造了有利条件，使得T3处理在随后的大豆产量上也表现出最高值。相比之下，不施石膏的对照处理（T6）虽然产量较低，但在长期免耕和有机质循环的系统下，其产量与其他部分处理相比并未达到统计上的显著差异。

**讨论与结论**
本研究证实，在农艺系统（APS）的长期管理下，尤其是较长的牧草覆盖期，石膏施用对于改善土壤的化学和物理性质具有积极意义。石膏作为一种土壤调理剂，其主要作用在于通过钙离子（Ca²⁺）淋洗来降低深层土壤中的有毒铝含量，并增加钙、硫等养分的供应。研究观察到，不同石膏推荐方法对土壤剖面的影响存在差异。其中，基于粘土含量计算剂量的方法（如T2和T5）在改善深层土壤化学性质方面表现突出。石膏的施用也促进了土壤有机质的积累和稳定团聚体的形成，从而改善了土壤物理结构。有机质作为阳离子交换量（CEC）的主要贡献者，其在深层的积累（得益于牧草深根系）对养分循环至关重要。尽管不同处理在不同年份对具体养分（如磷、钾、钙、镁）的贡献有所波动，但整体上，石膏施用处理在维持和提升土壤肥力，尤其是深层肥力方面，效果优于不施石膏的对照。值得注意的是，在管理良好的APS系统中，免耕和有机质循环本身也能在一定程度上维持土壤生产力，但石膏施用能更有效地加速土壤剖面的改良进程，特别是在应对热带地区常见的铝毒和干旱胁迫方面。

研究得出结论：在农艺系统（APS）中，石膏施用对于提升土壤肥力和物理质量至关重要，是实现可持续和再生性农业体系的有效手段。具体而言，Vitti等人（2008）的推荐方法在提高马兰杜牧草干物质产量及随后大豆产量方面效果最为显著。而在降低土壤酸度、提高pH值方面，Sousa、Lobato和Rein（2005）以及Raij等人（1996）的方法则显示出更强的效果。因此，在选择石膏推荐方法时，需要综合考虑具体的系统管理方式（如作物轮作序列）、土壤类型以及期望改善的主要目标（如增产、降酸或改善深层土壤）。