当我们步行在森林小路上，我们脚下土壤看上去没有什么不同。然而，土壤由错综复杂的网络组成，包括土壤颗粒、孔隙、矿物质、土壤微生物以及其他物质。 土壤是有生命、动态的物质，其中的微生物能够为植物提供它们生长所需食物。微生物可能是细菌或真菌，但是两者都需要“空间”（孔隙）作为它们的良好生存环境。 土壤团聚体对土壤性能影响很大，需要许多过程形成团聚体，包括干湿交替、冻融循环、蚯蚓活动、真菌作用，以及与植物根系的交互作用。无论哪种形式形成团聚体，微孔受到影响，里面的微生物也受到影响。 密歇根州立大学土壤科学家、教授Sasha Kravchenko致力于研究不同农业系统中土壤和它们的孔隙度。最近研究表明，长时期利用和管理土壤，不仅影响土壤团聚体大小和数量，而且影响孔隙中内部组成。 孔隙影响细菌移动和利用土壤资源的能力，相反，微生物具有良好环境，有助于植物吸收必需养分。 Kravchenko比较了两种农业系统，一种土壤种植作物如夏玉米，然后在作物收获后到第二年春天播种前土壤裸漏。另一种土壤一年四季种植作物。这两种系统始于1989年，至今有足够时间形成差异，并可以用现代有效工具进行测量。 另外，同一生态系统中微生物群并不相同，就象不同城市间差异。个别团聚体中，不同细菌需要的环境有差异。大多数细菌喜欢多孔、更小直径（30-90微米）的环境。其他的则喜欢较大直径孔隙（大于150微米）。这也许是因为这些尺寸的孔隙能够提供最佳环境用来进行养分、空气和水分的流通，以及他们能够获得并降解植物残留的能力所限。 这些研究突出了土壤颗粒、孔隙、微生物和植物之间交互作用的复杂性。Kravchenko团队用X射线进行断层摄影（类似于CT扫描），以保证团聚体的完整性，这样能够研究自然状态的土壤颗粒、孔隙和有机质之间交互作用。相关研究发表在了《Soil Science Society of America Journal》期刊上。

我们需要很多土地来提供粮食、提供生物能源，保持土地营养使它们不能污染我们水和空气。为了使土地能够完成这些高需求，美国能源部Argonne国家研究所开展了改善土地利用方案设计。 通过与伊利诺斯州中部地区印度河流域的农业社区合作，这些研究人员寻求到可以同时满足三个目标（即最大农业生产、种植生物燃料和保护环境）的方法。 它所需要的是一个多功能景观，有效分配资源，种植适合土壤和地区的作物。在商品作物难以生长地区成排种植生物能源作物，如柳树或柳枝稷，可以提供生物能源材料，同时可以减少养分流失，所有这些不会损害农民利益。这是Argonne科学家在费尔伯里玉米田中收集数据和模拟得到结果。 “我们正在努力解决的问题是如何设计可持续能源系统。”Argonne首席农学家和环境工程师克里斯蒂娜•内格罗说，“这不是理想主义，我们想展示它的可行性，如果我们有了详细方案，我们将看到真实结果。”因此，内格罗和她的团队建立了试验站，开展经济可行性、生物燃料和环境健康之家平衡研究。 面对这个挑战，需要改变观念。研究人员没有把整块土地看做一个单元，而是分析了玉米地分区。他们发现最低产量分区中土壤氮素的持有量也是最低。这些区域都是双重征税，对农民来讲这些区域是无收益的，而且破坏了环境。 内格罗对生产力不足土地的解释是：“设想一下，倾倒一些品质好、营养丰富的溶液到长满植物的肥沃土壤上。而这些养分能被土壤保持足够长时间，以利于植物吸收，并最小化泄露。现在假设把同样的溶液浇在滤器上：如果样本透过土壤太快，则对植物无效。玉米生长慢，更多溶液则淋失到地下水。” 但是在“滤器”样的土壤上种植生物能源植物，能够解决环境和经济问题，这就是内格罗课题组所展示的反硝化作用分解模拟。 柳树和柳枝稷是多年生生物能源作物，这植物比一年生植物具有更加宽广根域系统，这些根每年从头开始生长。更深层次的根可以较好地吸收深层土壤中氮素。 农业耕地损失的氮素是主要环境问题。如果氮素不能被土壤持有或者被植物吸收，氮素将进入空气或水体。它能够以一氧化氮方式释放到空气中，比二氧化碳产生的温室效应强310倍。硝酸盐渗漏到水体中耗尽氧气，对水生系统造成破坏，就像伊利湖那样。费尔伯里玉米田位于印度河流域，流淌到朱沙河，最后到达墨西哥湾，这条河多年来一直患因养分流失造成缺氧问题。 尽管科学家们在能源和环境付出了努力，研究小组意识到必须把农民经济收入作为底线。 博士后赫尔伯说：“整个农村是盈利的，但是通过收集详细数据，我们发现在一些区域农民没有收回他们成本。”农民损失金钱用来购买了昂贵氮肥来弥补农田生产力不足。 在玉米产量低地区植入成排的生物能源作物，意味着农民不会再从玉米作物上受到可观的损失。作为回报，根深蒂固的生物能源作物可以积累损失的氮肥，以作为免费肥料。 自2013年以来，Argonne的科学家在费尔伯试验区里种植了柳树，将要在下一年继续收集数据，看能否达到他们预期。“我们已经可以控制28%硝酸盐损失，这只用了两个生长季节。” Ssegane说。没有施肥，柳树生长的很好。 依照Ssegane的研究，这个项目正在证明一个观念。农民有计划种植生物能源作物能够提高生产力、节约成本，同时为科学界展示了如果选择合适地点种植生物能源作物，这个模式是可持续的。 “在这项研究工作之前，主流方案是“专用土地”，即把大面积玉米变成柳枝稷，” Ssegane说：“生物能源作物的专用地在农业区是不可能的，他们的经济收入与粮食相关。通过成本效益检测，转化生产力不足的区域为轮作区是可行的。” 在生物能源作物专区与单一经济作物种植之间，多功能景观区是令人振奋的、有效的手段。 科学家正在探索这些设计理念能够延伸到整个水域。最终，他们希望这项研究能找到科学家与农民都支持农业规划。 期刊参考文献：Herbert Ssegane, M. Cristina Negri, John Quinn, Meltem Urgun-Demirtas.Multifunctional landscapes: Site characterization and field-scale design to incorporate biomass production into an agricultural system. Biomass and Bioenergy, 2015; 80: 179 DOI:10.1016/j.biombioe.2015.04.012

俄勒冈大学的研究人员表示，根据来自49个州的近十年数据，大型有机农业种植并没有减少温室气体排放。 据俄勒冈大学社会学系博士生朱利叶斯•麦基的报告，商业化有机种植的增长—虽然仅占总农业用地3％- -似乎有助于增加每英亩农田释放温室气体并且更加激烈。他的研究发表在《农业和人类价值》的6月刊上。 作为一个普通有机食品消费者麦基说，调查结果是显示令人不安，这一研究真正指出需求重新评估有机食品想要流通去哪里以及如何到达那里。他建议更加严格遵守以可持续发展为导向的农业实践活动，对以利润趋动走向高端、认证的有机生产增加政府监管。 “最大的问题是，当我们从传统向有机生产转变的时候，我们在做什么，环境后果怎样”麦基说。“这项研究表明有机农业产业正处于起步阶段。到目前为止，我们没有看到对温室气体有任何缓解作用。我们需要密切关注有机农业操作流程是什么并让他们成为我们想要的可持续选择方案，我们将需要更严格地遵循这些。” 本研究使用了2000至2008年度有机和传统农业的温室气体的州级数据（路易斯安那除外）。阿拉斯加没有前两年数据。麦基还收集了认为影响行业增长趋势的社会经济和农业指标数据。然后，他使用固定利率面板回归方法分析温室气体排放，这一方法允许他间接控制的不可见的变量。 麦吉认为这项研究不排除这种可能性，即大规模的有机化种植最终将减少温室气体排放，但是现在更高的排放量有可能继续下去，除非确定正确的行动方向。 有机农业早在20世纪40年就出现了，作为替代工业化的本土化方式。它具有生态化号召，对待动物更人性化，对土壤利用强度低。这种做法也被认为对减少气候变化影响更有效。 1990年，美国农业部于基于《食品、农业、保护和贸易法案》发起了有机生产的认证标准，但有机农业走向大型企业化过程中使用美国农业部推荐的方法有所减少。他们推荐的方法包括最适合当地土壤的轮作方式，有机衍生的杀虫剂和除草剂，当地生产的堆肥和粪便肥料，留残茬耕作。随着种植的增长，麦基说，它需要更多的机器完成工作。这种趋势，他指出，是专注于单一作物，而不是轮作作物，专注于有机杀虫剂和除草剂使用的增加和从其他地方输入农家肥为主要肥料。 “我们不会用技术手段解决所有这些问题”麦基说，他的博士研究探讨了可持续市场的发展和环境影响。“农业和气候变化的问题不只是通过技术解决，当然，这是它的一部分，但很多问题是食品相关的社会环境，比如超过我们需要水平的过度生产食品的想法，这是农业生产的两种形式。”

美国南达科他州农业试验站的研究员桑迪普•库马尔研究表明：免耕、覆盖作物、轮牧有助于生产者减少表面径流，改良土质和水质。他和他的研究生萨加尔•高塔姆获得了国家食品与农业协会的资助，利用计算机模拟模型来测定哪些农业管理措施可以最好地减少土壤表层流失。 库马尔和高塔姆利用农业政策与环境拓展模型APEX(Agricultural Policy Environmental eXtender)，该模型是基于俄亥俄州的北阿巴拉契亚试验湿地40年的数据开发而成。俄亥俄州连绵起伏的景观为研究长期作物和农场管理方法对溪水和河流的水质影响提供了一个理想的平台。1935年美国农业部规划了1050英亩的水域，用来确定适于坡地的农业措施。自1937年，美国农业部的农业研究服务局的科学家开展了该水域的土壤水分保护研究。 库马尔和高塔姆为南达科他州定制了模型，包括近10年的土壤状况、管理信息和气象数据。南达科他州的降雨占俄亥俄州的一半。高塔姆表示一旦准备好模型，可以采用不同的作物，然后进行比较，看哪种作物更能减少径流。 通过模型可以确定，在中西部通过免耕可以保水和减少养分径流，因为免耕改良了土壤渗透。大豆-玉米轮作、作物覆盖（如冬小麦或燕麦）可以减少侵蚀。如果有更多的覆盖，可以最小化水分损失。库马尔指出，对轮牧也是有益的，土壤必须正确管理。当土壤压的越实，径流越多。库马尔推荐采用多年生牧草（如柳枝稷、大蓝茎）来减少径流。尤其是牧场和水道之间的多年生牧草带可以改善溪流和江河的水质。这些成果与其他研究结果一致。然而，下一步将要确定条带的大小和数目，这需要基于坡度和牧场大小。 考虑到气候变化，库马尔和高塔姆发现，在田间尺度上，降雨量增加对径流有直接影响。而升高或降低温度没有显著影响。关于在更大的水域规模上影响，需要更长的时间才能得到满意答复，研究还在继续。

硅（Si）是地球的地壳中除氧元素外第二丰富的元素。但它一直被生态学家所忽视，因为一直认为它不是植物必需的营养物质。然而，近年来的研究表明，它有利于多种植物生长，包括重要的作物如水稻，小麦和大麦。来自LEGATO跨学科的可持续大米生产项目的研究人员，详细地介绍了越南地区和菲律宾地区植物有效硅的循环，以此说明硅元素对水稻生产的重要性。 来自LEGATO跨学科的可持续大米生产项目的研究人员，在《Plant and soil》杂志于2015年4月份刊发了一篇关于水稻硅吸收的文章。详细地介绍了越南地区和菲律宾地区植物有效硅的循环，以此说明硅元素对水稻生产的重要性。硅是水稻的有益元素，能够提高水稻病虫害抗性。尽管水稻的硅吸收量常常高于氮素吸收，关于水稻的植物有效性硅的形态和通量研究不多。2011年12月，研究人员分析了表层土壤的醋酸、草酸和碳酸提取的硅（例如，硅的形态对可溶性硅的贡献），以及它们与植物硅吸收的关系（n=10 种水稻，菲律宾）。2013年的雨季，测定表层土壤高时间分辨率的（i）植物硅吸收，（ii）可溶硅(dSi)和（iii）醋酸提取硅（n=5 种水稻，每10天）。评估了灌溉、降雨、排水和渗透条件下的可溶性硅（n=3 种水稻）。 结果表明，收获期，植物存储的硅是0.73 ± 0.12 Mg ha−1 (>78 %在茎秆中)，与表层土壤不同形态的硅无相关性。大量存储的可溶于碳酸的硅(2–29 Mg ha−1) ，表明来源于表层土的“植物体内的矿质颗粒”（稻草中的非晶体形态氧化硅）的积累应归因于灌溉。表层土壤中的醋酸溶性硅在植物生长中机会不变，表明可溶性硅和可吸收硅是灌溉和“植物体内的矿质颗粒”的持续供应。结论，灌溉水稻条件下，土地/土壤状况、灌溉和茎秆管理是决定硅存储和通量主要的因素。 在一系列研究中，研究人员目前聚焦在确定植物生长期可用Si池的土壤过程。最近的文献表明，回收和秸秆分解对硅可用性起着至关重要的作用。农民应该完全循环利用秸秆。 但并不是LEGATO项目中所有被采访的农民都这样做，他们中的一些人将部分秸秆移除并另有使用，例如，用于蔬菜田的肥料。长期来看，这可能对水稻植株硅供应产生负面影响。特别是在土壤强风蚀地区，硅的可用性是非常低的（例如，LEGATO项目在越南的研究地），农民应该考虑水稻田间管理中硅的可用性因素。