夏季覆盖作物根系碳氮释放与化学组成的弱关联性及其在免耕亚热带农业系统中的意义

本文通过两年田间试验，揭示了夏季覆盖作物根系碳（C）和氮（N）释放动态与其化学组成相关性较弱的现象。研究采用双指数衰减模型量化6种作物根系分解，发现氮释放主要集中在初期21天，且珍珠稷等物种的氮残留量显著较高。结果强调，为实现最大氮回收，主作物应在覆盖作物管理后立即播种，这对优化养分管理（如C/N比、Lig/N比）和提升土壤固碳潜力具有重要指导意义。

　　

Abstract

研究通过田间试验评估了六种夏季覆盖作物根系的碳和氮释放动态，并探讨其与化学组成的关系。结果表明，碳和氮释放速率与根系化学组成相关性较弱，氮释放主要发生在分解初期21天内，且不同物种间残留氮量存在显著差异。

1 INTRODUCTION

覆盖作物在农业系统中具有多重益处，但针对根系分解的研究仍较有限。根系作为碳和氮的重要来源，在免耕系统中对深层土壤养分循环具有重要作用。化学组成常被用作预测残体分解的指标，但田间研究结果存在不一致性。本研究旨在探究夏季覆盖作物根系分解与化学组成的关系，验证根系碳氮释放与易分解组分和氮含量正相关的假设。

2 MATERIALS AND METHODS

2.1 Research location

试验位于巴西南部圣玛丽亚联邦大学土壤系试验站，属湿润亚热带气候，土壤为Typic Hapludalf。

2.2 Experimental design and crop management

采用随机区组设计，种植六种夏季覆盖作物： velvet bean（ Mucuna aterrima）、pearl millet（ Pennisetum americanum）、dwarf pigeon pea（ Cajanus cajan）、sunn hemp（ Crotalaria juncea）、showy rattlebox（ Crotalaria spectabilis）和jack bean（ Canavalia ensiformis）。覆盖作物终止后种植冬季燕麦。

2.3 Cover crop roots characterization and litterbags

在开花期采样根系，测定化学组成（如C、N、纤维素、半纤维素、木质素含量），并使用凋落物袋法跟踪140天内根系分解和养分释放。

2.4 Fitting and parameters of regression model

采用双指数衰减模型拟合碳氮残留数据，模型参数包括易分解组分（A）和难分解组分（100-A）的比例及其分解速率常数（ k₁和 k₂）。

2.5 Statistical analyses

使用ANOVA和Tukey检验进行数据分析，并通过Pearson相关系数评估化学组成与分解速率的相关性。

3 RESULTS

3.1 Weather conditions of experimental years

两年气候条件差异显著，第一年气温较高、降雨较多，但初期13天无降雨。

3.2 Root-C and N release and rates

碳和氮释放均呈现初期快速、后期缓慢的模式。140天后，珍珠稷根系碳残留量较高（65.3%），其他物种平均为40.2%。氮释放在前21天最为强烈，珍珠稷和velvet bean的氮残留量较高。模型参数显示，物种间 k₁和 k₂值无显著差异，但年际间部分物种的 k₁值存在变化。

3.3 Roots chemical composition effects on C and N release

根系化学组成因物种而异，velvet bean的氮含量最高、C/N比和Lig/N比最低。分解速率（ kC和 kN）与化学组成相关性较弱，仅部分指标（如纤维素、可溶性碳氮）在特定年份与 k₁N呈正相关。

4 DISCUSSION

碳氮释放动态符合双指数模型，但化学组成对分解速率的预测能力有限。氮含量虽是分解的关键驱动因子，但并非唯一决定因素。多酚等物质可能抑制微生物对氮的利用，从而延缓分解。根系形态特征（如细根比例）和土壤环境（如水分、氮有效性）亦对分解过程有重要影响。本研究中，珍珠稷虽细根比例较高，但分解速率未相应提升，可能与地上部氮输入量低导致的土壤氮限制有关。

5 CONCLUSIONS

夏季覆盖作物根系碳氮释放主要发生在分解初期，21天内释放的氮占总释放量的绝大部分。化学组成无法有效预测根系分解速率，因此在实际管理中应更关注作物种植时间（建议覆盖作物终止后立即播种主作物）而非仅依赖化学指标。根系分解和养分释放是由化学组成、形态特征和环境因素共同作用的复杂过程。