多年生牧草轮作显著改善玉米和大豆根系性状的土壤遗留效应研究

为解决土壤健康与作物根系发育关系不明的问题，研究人员通过5年田间试验比较了6种乳业农场典型轮作模式对后续玉米(Zea mays L.)和大豆(Glycine max)根系性状的影响。研究发现，含多年生牧草的轮作使玉米根系生物量提高31%、根长密度增加106%，并促进细根比例，同时提升玉米和大豆年净生产力20-21%。该研究为可持续农业中优化轮作体系提供了重要依据。

　　

论文解读

在气候变化与粮食安全双重挑战下，如何通过农业管理措施提升作物生产力同时维持土壤健康成为全球关注焦点。传统一年生作物轮作虽能保障短期产量，但其对土壤结构的改善有限，而多年生牧草因其发达的根系系统被认为能带来更持久的土壤改良效应。然而，关于不同轮作体系对后续作物根系性状的"遗留效应"机制尚不明确，特别是牧草种类组成、持续年限及施肥方式的影响缺乏系统研究。加拿大农业与农业食品部魁北克研发中心联合拉瓦尔大学的研究团队在《Plant and Soil》发表的研究，通过为期7年的田间试验揭示了这一科学问题。

研究采用液压取芯法采集0-45 cm土层根系样本，通过水压浮选结合WinRHIZO Pro图像分析系统量化根系参数，测定总净年生产力（Total net annual productivity, TNA）和冠根比（Shoot to root ratio）。试验设计包含6种轮作模式：AM（一年生+矿肥）、AO（一年生+粪肥）、AB（3年苜蓿-禾草混播）、PM（5年禾草+矿肥）、PO（5年禾草+粪肥）和PB（5年苜蓿-禾草混播）。

研究结果

根系生物量
5年多年生牧草轮作使后续玉米0-45 cm整体根系生物量较一年生轮作提高31%（4.75 vs. 3.62 Mg DM ha^-1），其中0-15 cm土层增幅达29%。禾草纯混作（PM/PO）比苜蓿-禾草混作（PB）更能促进深层（30-45 cm）根系发育（0.42 vs. 0.31 Mg DM ha^-1）。有趣的是，粪肥在一年生轮作中提升玉米根系生物量，但在多年生轮作中效果相反。

根长密度
多年生轮作使玉米整体根长密度激增106%（10.92 vs. 5.31 cm cm^-3），5年苜蓿-禾草混作（PB）比3年（AB）更能促进表层（0-15 cm）根系延伸（13.11 vs. 9.34 cm cm^-3）。禾草纯混作在15-30 cm土层根长密度显著高于苜蓿混作（10.30 vs. 6.29 cm cm^-3）。

细根比例
多年生轮作使玉米和大豆细根（<0.2 mm直径）比例随深度递增，在30-45 cm土层差异最大（玉米+15%，大豆+10%）。5年苜蓿-禾草混作（PB）比3年（AB）更能促进大豆深层细根发育（61 vs. 52%）。

年净生产力与冠根比
多年生轮作使玉米和大豆TNA分别提升20%和21%，但冠根比保持稳定。矿肥处理的多年生禾草轮作（PM）冠根比（2.04）显著低于粪肥处理（3.87），表明矿肥更利于生物量均衡分配。

结论与意义
该研究首次系统揭示了多年生牧草轮作通过改善土壤结构、增加生物孔隙和养分循环，显著优化后续作物根系构型。特别发现禾草（尤其是高羊茅）比苜蓿更能促进深层根系发育，5年轮作周期比3年产生更持久的遗留效应。研究为设计"碳友好型"轮作体系提供了关键参数，证明适当延长牧草种植年限可增强作物抗旱性与资源获取能力，对气候变化背景下的可持续农业具有重要指导价值。粪肥与矿肥的差异化效应提示需根据轮作类型优化施肥策略，这一发现将推动农田管理从"产量导向"向"根-土系统协同优化"转型。