牲畜整合对半干旱美国大平原春小麦产量的短期促进效应及氮循环机制解析

本文研究了牲畜整合（ICL）对半干旱区春小麦产量的短期影响，发现放牧处理（特别是swath grazing, SG）使小麦增产20%，土壤硝酸盐氮（NO3-N）显著提升，但土壤健康指标（POX-C、ACE-Protein、PLFA等）未出现显著变化。结果表明，牲畜通过提高氮素有效性促进作物生长，为半干旱地区农业可持续发展提供了实践依据。

　　

研究背景与意义

农业系统专业化导致作物与牲畜生产分离，引发诸多环境和经济问题。集成作物-牲畜系统（ICL）通过将牲畜放牧与作物生产相结合，可改善养分循环并减少对外部投入的依赖。本研究旨在探讨在美国大平原北部半干旱地区，牲畜放牧对年度饲草作物后作春小麦（Triticum aestivum）产量的短期影响及其机制。

材料与方法

研究于2020-2023年在南达科他州立大学西河研究农场进行。采用随机区组设计，设置四种处理：放牧覆盖作物（CG）、刈割放牧覆盖作物（SG）、未放牧的单作高粱-苏丹草（Sorghum × drummondii）干草（C1）和未放牧的覆盖作物（C2），所有处理后作均为春小麦。放牧处理在9月或10月进行，目标利用率为60%。土壤和植物样品在春季小麦种植时采集，分析土壤化学性质、健康指标（包括POX-C、ACE-Protein和PLFA）以及小麦产量和品质。

结果

土壤化学与养分状况

放牧处理，特别是SG，在0-7.5厘米土层中显著提高了土壤NO₃-N含量，SG处理达到11.2千克/公顷，而C1和C2分别为7.3和8.3千克/公顷。其他土壤化学参数（如pH、总碳、总氮、磷、钾和硫）在处理间无显著差异。氮素形态分析表明，NO₃-N占无机氮的比例在放牧处理中较高（CG和SG为64%-68%，对照为61%），表明放牧促进了氮素的有效性。

土壤健康与生物指标

土壤健康指标，包括POX-C、ACE-Protein和24小时CO₂呼吸，在处理间无显著差异，但土壤深度的影响显著，表层土壤（0-7.5厘米）的指标值普遍高于下层（7.5-15厘米）。磷脂脂肪酸（PLFA）分析显示，总微生物生物量、细菌和真菌生物量在处理间无显著差异，但深度效应明显，下层土壤的微生物生物量不足表层的一半。年份对土壤健康指标有显著影响，表明气候条件对土壤生物活性的调控作用。

小麦产量、蛋白质含量和旗叶氮

放牧处理显著提高了春小麦产量，SG和CG处理比C1增产约400千克/公顷（20%）。蛋白质含量在处理间无显著差异，范围在98.2-155.5克/千克之间，受年度气候条件影响较大。旗叶氮含量在处理间也无差异，平均为35-36克/千克，与产量的相关性较弱（Pearson系数为0.35，p=0.10），表明产量增益主要源于早期氮素供应而非后期氮素积累。

年度间变异分析

产量和土壤NO₃-N的年度间变异显著。2021年（干旱年）的产量最低，但放牧处理的增产幅度最大（SG比C1增产25%），而2022和2023年的增产幅度较低（13%-15%）。土壤NO₃-N在2021和2023年呈现处理间差异，2022年则无显著差异，可能与放牧强度较低有关。

讨论

本研究表明，牲畜整合在短期内主要通过提高土壤氮素有效性（尤其是NO₃-N）来促进春小麦产量，而不是通过改善土壤健康指标。这一发现与一些长期研究结果不一致，后者强调土壤健康参数的缓慢积累效应。放牧管理（如强度和频率）对氮循环的调控至关重要，高利用率（60%）的设计有效提升了氮素供应。然而，土壤健康指标（如POX-C、ACE-Protein和PLFA）未响应短期放牧，说明这些参数需要更长时间才能显现变化。年度气候条件（如降水）显著影响产量响应，干旱年份的增产幅度更大，凸显了牲畜整合在半干旱地区的适应性优势。

结论

牲畜整合可短期提升半干旱地区春小麦产量，主要机制为增加土壤氮素有效性。长期效应（如土壤健康改善）需进一步研究。未来工作应关注放牧管理的优化及其与合成肥料的协同作用，以提升系统可持续性。