残茬管理和覆盖作物管理对北达科他州壤土中土壤水分和温度状况的影响

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：The impact of residue and cover crop management on soil water and temperature regimes in a loam soil in North Dakota

北方大平原春季土壤温度、水分及能量平衡受裸地、残留作物和覆盖作物处理影响，覆盖作物和残留处理降低净辐射（18%-4%）和土壤热通量（40%-21%），裸地土壤3厘米深度温度最高（9.3°C），但最低温更低；降水充足条件下水分无显著差异。

　　在北方大平原地区，特别是在北达科他州东部，从小谷物作物收获到第一场霜冻来临之间的时期，土壤容易受到侵蚀，尤其是在作物残留被翻耕或减少的情况下。这项研究探讨了作物残留和覆盖作物如何影响土壤温度和水分含量，旨在评估这些管理措施对土壤保护和农业可持续性的潜在作用。研究结果表明，虽然覆盖作物可能对土壤水分产生一定影响，但在特定环境条件下，其效果并不显著。因此，理解这些因素如何影响土壤的热力学和水分特性，对于在北方大平原地区优化农业实践至关重要。

研究区域位于北达科他州格兰德福克斯县，试验田的土壤类型为巴恩斯壤土，其特性包括细壤质、混合型、超级活性、寒性钙质淡壤土。该土壤的有机质平均含量为44克/千克，砂土、粉土和黏土的比例分别为474克/千克、314克/千克和212克/千克，土壤容重为1.3克/立方厘米。试验区域地势为南向坡度1%的田地，该地区在2019年已转为免耕农业，种植周期包括紫云英、玉米、大豆和大麦的轮作系统。在该地区，小谷物作物平均从收获到第一场霜冻之间的时间为31至38天，这一时期土壤缺乏植被覆盖，容易受到风蚀和水蚀的影响。

覆盖作物和作物残留被认为在保护土壤、提升土壤健康方面具有重要作用。它们能够减少风蚀和水蚀的风险，同时为土壤微生物群落提供栖息环境，从而改善土壤结构和水分渗透能力。然而，在水资源有限的环境中，覆盖作物可能会减少土壤水分储备，进而影响作物的生长和产量。例如，在半干旱的中央大平原地区，将休耕期替换为覆盖作物种植可能会导致冬小麦产量减少0%至70%。因此，如何在水资源有限的条件下合理利用覆盖作物成为农业生产管理中的一个关键问题。

本研究的实验设计包括三种处理方式：（1）无覆盖作物的裸土处理，（2）保留大麦残留的土壤处理，（3）在大麦残留上免耕播种覆盖作物的混合处理。覆盖作物包括大麦残留和大麦残留上播种的小麦和亚麻，最终形成了224千克/公顷的春季生物量。研究团队在2023年4月18日至5月23日期间，对土壤温度、水分含量、净辐射和土壤热通量进行了监测。结果表明，表层覆盖显著影响净辐射、热通量和土壤温度，与裸土相比，表层覆盖能够有效降低净辐射和热通量，从而减少土壤温度的上升速度。

裸土处理的净辐射和热通量均高于其他两种处理方式，导致其在3厘米深度的土壤温度达到9.3°C，而大麦残留处理和覆盖作物处理分别为7.9°C和7.6°C。尽管裸土处理的平均温度较高，但在降温期中，其最低温度却低于其他两种处理方式。这表明，裸土处理虽然能够快速升温，但在极端天气条件下可能对土壤的稳定性产生负面影响。此外，覆盖作物的生物量和植被结构对土壤热通量和净辐射的分配具有重要影响，而这种影响在本研究中得到了验证。

值得注意的是，尽管覆盖作物被预期会减少土壤水分，但本研究并未观察到显著差异。这可能与研究期间的降水状况和覆盖作物的生物量积累有关。在该研究中，降水总量为63毫米，接近30年平均值71毫米，且降水分布较为均匀，仅在研究期间出现不超过6天的间隔。此外，覆盖作物的生物量积累有限，可能不足以对土壤水分产生明显影响。然而，覆盖作物的表层覆盖有助于减少水分蒸发，提高土壤水分保留能力，这在干旱条件下尤为重要。

从管理角度来看，覆盖作物和作物残留对土壤温度和水分的影响可能因环境条件而异。在降水充足的春季，覆盖作物可能不会显著限制后续作物的生长，但其生长速度和生物量积累将决定其对土壤水分的利用程度。因此，对于水资源有限的地区，选择适当的覆盖作物种类和种植密度是关键。此外，覆盖作物的存在能够减缓土壤温度的变化，为种子和幼苗提供一定的保护，从而减少低温对作物生长的不利影响。

研究还发现，表层覆盖对土壤热通量和净辐射的影响显著，能够有效降低土壤温度的波动。这种效应在覆盖作物和作物残留处理中尤为明显，尤其是在降温期。然而，在某些情况下，裸土处理可能具有更高的土壤温度，这可能在某些条件下促进作物生长，但同时也可能增加土壤侵蚀的风险。因此，如何在保护土壤和促进作物生长之间取得平衡，是农业管理中的一个重要课题。

总体而言，本研究揭示了覆盖作物和作物残留对土壤温度和水分的影响，为农业实践中如何优化覆盖作物的使用提供了科学依据。在水资源充足的条件下，覆盖作物可能不会显著影响土壤水分，但在干旱或水资源紧张的地区，其作用可能更加重要。此外，研究结果表明，表层覆盖能够有效降低土壤温度的波动，从而减少极端天气对作物生长的负面影响。因此，在制定农业管理策略时，应充分考虑当地气候条件、土壤特性以及覆盖作物的生物量积累情况，以实现最佳的土壤保护和作物产量。

本研究的结论强调了覆盖作物在土壤保护和农业可持续性方面的潜力，尽管其在某些情况下可能对土壤水分产生一定影响，但在降水充足的春季，其对土壤水分的消耗可能被降水所弥补。因此，覆盖作物的应用应根据具体的环境条件进行调整，以确保其在提高土壤健康的同时，不会对作物生长造成不利影响。未来的研究可以进一步探讨不同覆盖作物组合在不同气候条件下的表现，以及如何通过调整种植密度和种类来优化其对土壤水分和温度的调节作用。