采用多物种覆盖作物混合物能否改善伊利诺伊州南部脆弱土壤（fragipan土壤）中的水分运动？

《Vadose Zone Journa》：Can adoption of multispecies cover crop mixtures improve soil water movement in fragipan soils of southern Illinois?

碎屑磐土壤上三种植被覆盖对水分动态和物理性质的影响研究，通过伊利诺伊州两个长期定位试验场对比分析。发现覆盖作物在Springerton冬季显著增加15-35cm深度土壤水分储存（p<0.01），而Marion夏季在25和55cm深度NCC处理水分更高。土壤干密度在Springerton 0-5cm降低12%（p<0.01），而Marion 25-30cm增加（p<0.10）。水力特性显示覆盖作物促进深层水分渗透，但效应受碎屑磐深度（Marion 70cm vs Springerton 50cm）和年限（Springerton 11年 vs Marion 4年）显著影响。建议根据土壤剖面特征和年限制定差异化覆盖策略。

　　在南部伊利诺伊州的农业生产中，某些土壤类型，尤其是具有限制性土层的“碎石层”（fragipan）土壤，对作物生长构成显著挑战。这类土壤通常表现出较差的根系穿透能力和水力传导性，导致作物在生长过程中面临严重的水分管理问题。具体而言，碎石层的存在限制了根系的深入发展，使得作物在夏季易受干旱影响，而在冬季和早春则可能因过量积水而产生根系生长受限的问题。因此，改善这类土壤的水分运移能力，对于提高作物产量和优化农业管理具有重要意义。

为了应对这一问题，研究团队在南部伊利诺伊州的两个农场试验点——马里昂（Marion）和斯普林顿（Springerton）——分别于2019年和2013年建立了实验，研究多物种覆盖作物混合物对碎石层土壤结构和水分动态的影响。覆盖作物混合物主要包括一年生黑麦草（annual ryegrass, ARG）、毛萼豌豆（hairy vetch）和红三叶草（crimson clover）。这些植物的根系具有穿透碎石层的能力，从而可能改善土壤结构、增加孔隙度，并促进水分渗透。研究还关注了ARG根系在碎石层中的特殊作用，认为其可能通过溶解黏结剂、破坏碎石层结构、形成通道等方式，显著提高土壤的水分运移能力。

研究采用了多种方法来评估土壤的物理和水分特性。首先，在实验期间，研究人员采集了完整的土壤柱样本，通过“HYPROP”仪器测定土壤水分保持曲线，以分析不同土壤深度的水分持留能力。其次，使用“Drill and Drop”土壤水分探头，监测了玉米生长季（夏季）和覆盖作物生长季（冬季）土壤水分含量的变化。这些探头在90厘米深度内以10厘米为间隔测量水分含量，并通过数据采集器记录每日数据。此外，研究还分析了土壤颗粒组成，以进一步了解覆盖作物对土壤结构的改变是否影响了水分存储和流动。

研究结果表明，覆盖作物对土壤水分特性的影响因实验地点而异。在马里昂，未使用覆盖作物（NCC）的土壤在25厘米和55厘米深度的水分含量普遍高于使用覆盖作物（CC）的土壤，尤其是在夏季。这表明，在该地区，覆盖作物可能未能有效改善碎石层上方的水分状况，甚至在某些深度上降低了土壤水分含量。然而，在斯普林顿，覆盖作物在冬季期间显著提高了0至5厘米和15至35厘米深度的水分存储量。这一结果可能与碎石层的位置较浅有关，使得覆盖作物根系能够更有效地促进水分渗透和存储，从而在冬季形成更高的水分储备。

在分析土壤物理特性时，研究发现覆盖作物在某些深度上显著降低了土壤容重（BD）。例如，在斯普林顿，使用覆盖作物的土壤在0至5厘米深度的BD降低了11.7%。这种降低可能与覆盖作物根系的扩展和土壤颗粒的重新排列有关。此外，覆盖作物还改变了土壤颗粒的分布，尤其是在75至80厘米深度，覆盖作物土壤的粉粒含量显著高于未使用覆盖作物的土壤。这一现象可能与覆盖作物根系对土壤结构的扰动有关，通过形成根系通道和增加土壤孔隙度，促进了土壤水分的流动和存储。

覆盖作物对土壤水分保持能力的影响也因深度和季节而异。在马里昂，覆盖作物在25至30厘米深度的饱和水分含量显著高于未使用覆盖作物的土壤，而在斯普林顿，覆盖作物在0至5厘米和25至30厘米深度的水分保持能力也有提升。这些变化可能反映了覆盖作物对土壤结构的改善，特别是对碎石层上方的水分运移路径的优化。然而，值得注意的是，覆盖作物在某些深度上可能反而导致水分持留能力的下降，例如在马里昂的25至30厘米深度，覆盖作物土壤的水分保持能力较低，这可能与根系对土壤微孔的堵塞有关。

此外，研究还发现，覆盖作物对土壤水分动态的影响与土壤类型和季节性降水模式密切相关。在南部伊利诺伊州，冬季和早春期间降水较多，导致碎石层上方形成过量积水。而在夏季，由于降水较少，作物的蒸腾作用强烈，土壤水分供应不足，限制了作物生长。覆盖作物在冬季能够通过增加水分存储来缓解这一问题，而在夏季可能因水分消耗较大，反而对水分供应产生一定的负面影响。因此，覆盖作物在不同季节和土壤条件下的作用存在差异，需要根据具体环境条件进行评估。

本研究的局限性包括：首先，缺乏实验前的土壤数据，使得无法完全排除实验地点本身的土壤差异对结果的影响。其次，土壤采样仅基于单个土壤柱，可能未能全面反映土壤内部的异质性。未来的研究应采用更密集的土壤采样方法，以更准确地评估覆盖作物对碎石层的影响，并进一步区分不同物种（如ARG、毛萼豌豆和红三叶草）的作用。此外，研究还强调了覆盖作物对土壤水力特性的长期影响，认为土壤水分动态的变化可能需要数年时间才能显现。

总体而言，覆盖作物在改善碎石层土壤水分状况方面具有潜力，但其效果取决于多种因素，包括碎石层的深度、土壤类型、覆盖作物的种类以及季节性降水模式。在某些情况下，覆盖作物可能有助于增加土壤孔隙度和水分渗透能力，而在其他情况下，可能因根系对微孔的堵塞而影响水分持留。因此，农业实践者在采用覆盖作物时，应结合具体土壤条件和气候背景，以实现最佳的水分管理效果。本研究为农民提供了重要的参考，有助于他们更好地理解覆盖作物在碎石层土壤中的作用，并据此优化农业管理策略。