有机转型期放牧与覆盖作物对土壤健康的协同调控机制及其在半干旱区可持续农业中的应用价值

本研究系统评估了有机转型期不同覆盖作物体系与放牧管理对土壤健康的综合影响，揭示了多年生牧草双作（PE）在提升土壤有机碳（SOC）和调控氮循环方面的突出作用，为半干旱地区可持续农业实践提供了关键数据支撑和理论依据。

　　

研究背景与意义

有机农业转型期是农业生产体系重构的关键阶段，此期间土壤健康管理直接影响系统可持续性。美国北达科他州北部大平原地区的细沙质壤土存在有机质含量低、结构稳定性差等限制因素，亟需通过覆盖作物与放牧整合策略改善土壤功能。本研究通过设计六种目标导向的覆盖作物体系（杂草抑制WS、土壤构建SB、传粉者支持PO、多用途MP、年度作物轮作3Y及多年生牧草双作PE），结合放牧与非放牧处理，探究其对土壤理化性质与健康指标的调控机制。

实验设计与方法

研究采用裂区设计的随机完全区组方案，主区为放牧（Grazed）与非放牧（Ungrazed）处理，副区为六种覆盖作物体系，设置四个重复。土壤采样分0-10 cm与10-30 cm两层，在2016年（转型前）和2019年（转型后）分别测定土壤pH、硝态氮（NO₃^?）、磷（P）、钾（K）、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）及湿团聚体稳定性（WAS）等指标，并基于土壤管理评估框架（SMAF）计算土壤质量指数（SQI）。放牧处理采用高密度短时轮牧策略，牲畜负载量达12,723–15,263 kg/ha，确保生物量残留率约25%。

土壤化学性质的动态响应

转型后土壤pH普遍下降，其中放牧处理在0-10 cm层的pH显著高于非放牧处理（p=0.0425）。硝态氮在MP与PO体系中积累最显著（p<0.001），反映了豆科作物的固氮优势。值得注意的是，PE处理在放牧与非放牧条件下均显著提升SOC含量（0-10 cm层p=0.008，10-30 cm层p=0.005），表明深根系多年生植物对碳封存的深度贡献。土壤磷、钾含量未出现显著变化，说明养分调控更依赖于有机质循环而非矿物释放。

土壤结构稳定性与有机碳耦合机制

湿团聚体稳定性（WAS）在所有处理中均呈现下降趋势（p<0.001），且覆盖作物与放牧均未逆转该现象。这一结果与常规认知相悖，可能源于沙质壤土的低粘结特性与机械扰动（如转型前轻耙作业）对团聚体的物理破坏。尽管如此，PE处理通过根系网络与分泌物仍维持了相对较高的SOC库，印证了生物驱动碳固持对结构稳定的潜在长期效益。

土壤健康综合评价

基于SMAF的土壤质量指数（SQI）显示，各处理间无显著差异（均值78%），但PE与SB体系在放牧条件下指数偏高（81%）。这表明尽管单一指标（如WAS）出现波动，但系统整体健康状态可通过多指标集成评估得以维持，突出了多功能覆盖作物体系在缓冲环境胁迫中的价值。

放牧管理的生态权衡

放牧通过粪尿归还与植物残体转化促进了养分循环，但未显著提升SOC或团聚体稳定性。高强度放牧可能加剧土壤压实，尤其在沙质土壤中，这一效应掩盖了生物互作的正面贡献。非放牧体系中SB、MP与3Y处理的SOC积累更显著，说明植物残留物原位分解对碳输入的贡献优于放牧驱动的快速循环。

结论与展望

三年有机转型实践表明：

1. 1.
   多年生牧草双作（PE）是提升土壤有机碳（SOC）的核心策略，其效应穿透至30 cm深层土壤；
2. 2.
   覆盖作物体系对土壤化学肥力的改善优于物理结构调控，沙质土壤的团聚体稳定性需长期修复；
3. 3.
   放牧管理对土壤健康的贡献高度依赖实施强度与土壤类型，半干旱区需审慎设计 grazing-plant 互作模式；
4. 4.
   集成化土壤健康评估（SQI）有效识别了系统韧性，为有机转型提供了多维决策依据。
   未来研究需聚焦覆盖作物根系构型与微生物互作机制，并量化 grazing-cover crop 系统的经济生态效益比。