PLOS ONE文章精选——英国土壤健康试点研究：农场蚯蚓调查的结果
原文链接：[1]Jacqueline L. Stroud. Soil health pilot study in England: Outcomes from an on-farm earthworm survey[J]. PLOS ONE,2019,14(2).
编译：麻虹宇，李颖
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主要内容
本研究在2018年春季评估了超过1300公顷的农田土壤，以三个生态系统的十组土壤样本中蚯蚓的生存状况为指标评价土壤的健康程度。结果表明，大多数农田具有基本的蚯蚓数量和丰度，但42%的农田可能由于过度劳作，表现为表生和/或暗生蚯蚓的缺乏/稀少。耕作对蚯蚓种群有负面影响（p<0.05），有机物管理不能减轻耕作的影响。
在吸引农民参与方面，推特（Twitter）和农民周刊（Farmers Weekly）是非常有效的招聘渠道。57%的参与者表示会使用蚯蚓调查结果来改变他们的土壤管理做法。本研究也汇报了蚯蚓识别技能方面的关键培训需求。在全国范围内，农民的参与可以为每次调查节省1400万英镑（约470万公顷）的田间工作成本。
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研究背景
一个可持续的农业系统既要有可持续的作物生产以保障粮食安全，又要有“健康的”土壤以保障土壤安全。然而，很少有土壤调查可以让农民和决策者了解英格兰农田土壤健康状况并依此进行决策。在过去十年中，英国通过调查蚯蚓种群成功进行了一些农田土壤调查，但迄今为止农民的参与有限。动员农民参与监测土壤健康是提高国家土壤管理可持续性的有效方法。
蚯蚓既支持粮食生产，也支持与土壤安全相关的更广泛的生态系统服务。耕地土壤通常每平方米含有150-350条蚯蚓，蚯蚓数量高（每平方米超过400条）的区域农作物产量也显著提高。土壤中的蚯蚓分为三个生态功能群：表观蚯蚓（epigeic earthworms）、正蚯（anecic earthworms）和英国内生蚯蚓（UK endogeic earthworm）。蚯蚓群落结构可以用来指示土壤的耕作强度。几十年来，集约化机械耕作一直是英国的主要耕作方式，这种耕作方式对土壤的生物、物理和化学特性都造成一定破坏。
迄今为止，由于缺乏标准化的一套方法，国家在使用蚯蚓监测土壤的过程中受到了阻碍。不同时期和地区的调查使用了不同的蚯蚓统计方法，且人工成本过高。为降低成本，应该动员农民参与土壤评估过程。“60分钟蚯蚓调查”（#60minworms）旨在解决英国农田土壤蚯蚓监测中存在的空白，为研究英国农田土壤的土壤生物学提供第一手资料。
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研究方法
农民招募和参与
从2018 年 3 月 15 日至 4 月 30 日，农民志愿者们在这6 周的时间内在他们的私人土地上进行春季的蚯蚓采样。由于招募通过网络等线上途径进行，因此没有收集到能够确定参与者身份的数据。组织者在推特上、“农民论坛”以及通过宣传册和研讨会等途径招募参与者，通过电话、电子邮件以及线下研讨会与农民们交流。
图1 蚯蚓调查的招聘、参与和管理。主要的动员途径是推特和农民周刊，调查吸引了蚯蚓监测的初学者，参与者们偏好于通过研讨会来进行交流。
规模蚯蚓采样的方法
实验参与者需要自行挖掘土方并手工分拣蚯蚓，所需的设备仅为：一把园艺叉或铁锹、一把尺子、一个垫子、一个带盖子的罐子以及少量水和记录用的纸笔。一个有经验的采样者通常可以在60分钟内完成调查。通过W式采样模式在整个农田中重复10次。
数据分析
结果解释框架是基于一片农田（10个土坑）中每次观测（20×20cm边长×20cm深）的蚯蚓数量和丰度。量化蚯蚓的数量和丰度有五个指标：
（a）分布范围——在多少个土坑中发现了蚯蚓（幼虫或成虫）;
（b）表观蚯蚓;
（c）内生蚯蚓;
（d）奇异性的——来自每个生态类群（仅限成虫）的蚯蚓在多少个坑内被发现;
（e）有多少个土坑里有大量蚯蚓（≥16条蚯蚓）。
结果可以通过一个简单的公式来计算:
（a）有1条蚯蚓的土坑总数（包括幼虫或成虫）；
（b）有1条成虫的土坑总数；
（c）有1条成年内生蚯蚓的土坑总数；
（d）有1条成年表观蚯蚓的土坑总数；
（e）蚯蚓数量高的土坑总数（每坑16条，每平方米400条）（包括所有幼虫和成虫）。
土壤健康“交通灯”（Traffic Light）：
红色「不大可能」（<33%）、琥珀色「可能」（33%-66%）及绿色「可能」（>66%）。
表1解释框架基于每个观察点（1个土坑）在一片农田（10个土坑）中的蚯蚓的数量
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研究结论
农民参与
研究总共调查了126个农场，覆盖农田面积为1318公顷。在成本核算上，绝大多数（66%）的参与者独自进行试验，劳动力成本大约是25英镑（223元），其他劳动者则是在他人的协助下完成调查，每个农场的成本上升至75英镑（669元），因此，126个农场总的实际劳动成本约为5300英镑（47276元），折合每公顷4英镑（36元）。
11%的参与者参加了研讨会（图1）。会上，大部分参加者（56%）将他们对蚯蚓的认识列为”低于平均水平”，参加研讨会的主要原因是”改善土壤健康评估”（61%），其次是”学习一些东西付诸实践”（22%）、”直接获得土壤科学专门知识”（11%）和”与他人比较结果”（6%）。就他们的结果而言，19%的参与者感到惊喜，25%的结果符合预期，13%的结果比预期差，50%的参与者不知道会发生什么。农民们参与调查的动机有很多种，在价值、信任和满意度方面给分也很高（图2），100%的参与者愿意再次参与调查并向其他人推荐，93%的参与者认为其他参与者的能力非常重要，87%的参与者会使用科学的实地试验帮助他们解释土壤问题（图2）。
图2 调查的可用性。反馈包括参与者对协议的信任、价值和满意度（100%的参与者愿意再次进行测试），以及对社区科学（包括其他参与者和科学家）极高的兴趣（>85%），这些兴趣在比较结果中起着关键作用。
调查所覆盖的农场遍布英国全境（图3），包括各种农田管理措施和采样方法。
图3 调查参与者情况。在英格兰有广泛的地理分布和一系列的现场管理实践。参与者在取样策略、依从性或结果质量方面几乎没有偏差，但在蚯蚓识别技能方面仍需培训
调查结果
蚯蚓平均田间种群数量（包括成虫和幼虫）为2.4±0.4万条/ha（平均每坑约有9条蚯蚓），但不同农场土壤中的蚯蚓数量可相差100倍，从0.75—730万条/ha不等。蚯蚓最高和最低的10个农场的土壤质地、耕作方法和农田管理措施相同。耕作方式显著影响（p<0.05）各类蚯生存状况和每公顷蚯蚓数量的多少。各种有机物管理措施中（包括秸秆覆盖，覆盖作物或有机肥料）对蚯蚓数量唯一有显著影响是秸秆保留覆盖（p=0.04）。
总共有77%的农田100%有蚯蚓存在（每个坑至少有1条蚯蚓），最低记录为一个农场仅有30%的样本中发现了蚯蚓。21%的农田没有发现表观蚯蚓，16%的农田没有发现正蚯，另有8-11%的农田则极少发现这些蚯蚓（10%）。大部分地区内生蚯蚓的数量较多（67%），15%的地区三个生态群的数量都较多。“蚯蚓热点”（每坑≥16条）的农田不常见，仅有13%的农田有“蚯蚓热点”。
成本核算
将取样强度降低到5个土坑（如“30分钟蚯蚓调查”--#30minworms），并将次优阈值改为<20%，与10个坑及10%阈值的调查结果一致。
根据数据质量、参与度和成本估算，5个坑的实地调查具有显著的潜力（图4）。一次平均30分钟的蠕虫实地调查（面积为10.9±0.8公顷）需要16-48英镑（143-428元）的费用。根据劳动力类型的不同，英国一个平均大小的农场（85公顷）的整个可耕地面积（52%）进行一次“30分钟蚯蚓调查”的田间作业成本在65-196英镑（580-1748元）之间。不同地区的农业成本会有很大差异：东北部一个平均大小农场的实地工作成本为23-70英镑，而东部的成本会为134-401英镑（1195-3577元）。在全国范围内，对全部的474万公顷耕地进行“30分钟蚯蚓调查”，每次调查的田间工作成本在700万英镑（6244万元）（农民参与）至2100万英镑（18732万元）（外包）之间。
图4 蚯蚓田间调查（30-240分钟）与数据质量、农民参与水平和劳动力成本之间的权衡。
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讨论
本项目（#60minworms）有效地动员了一百个农场的参与（图1）。推特、《农民周刊》和农民论坛（The Farmers Forum）都是高效的招聘渠道，表明了线上媒体渠道对于实现农业土壤安全的潜在重要性。项目的发展方向是制定更省时的方案以提高参与率（农民和农场数量），如“30分钟蚯蚓调查”（图4）。在全国范围内，通过动员农民，“30分钟蚯蚓调查”可节省1400万英镑。
“60分钟蚯蚓调查”的反馈表明参与者的高度信任、价值和满意度（图2和图3）。虽然在取样方法方面没有存在重大偏差或问题，但人们仍缺乏蚯蚓识别技能方面的专门培训，46%的参与者对他们的蚯蚓成虫/幼虫分离和识别技能没有信心，但对获得这种技能有很大兴趣（图1）。
调查的结果表明，蚯蚓在英国农田的分布很广，77%的农田都有100%会出现蚯蚓。绝大多数的农田都采取传统的耕作方式，集约化耕作占主导地位。除内生蚯蚓外，这种耕作方式对所有参数都有显著（p<0.05）的负面影响。令人担忧的是，即使改变了耕作模式，蚯蚓的种群数量恢复依然缓慢，几乎一半（46%）的地区没有发现蚯蚓热点。每个坑的蚯蚓数量与植物生产力显著相关。虽然目前英国大部分农田土壤有令人满意的蚯蚓数量和丰度，但仍有提高的潜力以更好地维护粮食安全，和支持蚯蚓介导的生态系统服务，例如支持本地食物链、促进土壤团聚体的形成和提高土壤透水性等与土壤安全相关的内容。
用于结果解释的“交通灯”被评为有用（36%），但“30分钟蚯蚓调查”仍需要简化，例如仅划分“次优”或“满意”分数。
增加蚯蚓存在的一般策略是减少耕作次数和强度，但土壤管理活动对蚯蚓的影响取决于当地条件，监测是实际实现土壤健康的一个必要组成部分。影响蚯蚓种群的一个因素是有机物管理：秸秆覆盖或有机肥对蚯蚓的存在没有显著影响（p>0.05）。然而，覆盖作物显著（p<0.05）增加了蚯蚓的数量。因此，几乎没有证据表明有机物管理减轻了耕作对蚯蚓种群的影响。通过缺乏/少见表观蚯蚓和内生蚯蚓数量来确定”危险”地区（本次调查中高达42%的地区），首次为农田管理干预提供了机会，以减轻过度耕作对土壤的影响，并支持环境与农业部到2030年实现可持续土壤的政策愿景。