地中海气候变化情景对冬季覆盖作物建植与土壤健康指标的影响研究

《European Journal of Soil Science》：Mediterranean Climate-Change Scenarios Threaten Winter Cover-Crop Establishment and Soil-Health Indicators

　　

摘要 农业系统日益面临气候变化带来的挑战，尤其是气温上升和降雨格局改变。本研究评估了覆盖作物（CCs）和土壤健康指标对地中海地区六种可能气候变化情景的响应。研究选取了最具代表性的三个科属的覆盖作物物种：大麦（Hordeum vulgare L.）、箭筈豌豆（Vicia sativa L.）和亚麻荠（Camelina sativa L.），同时设置三物种混合处理及裸土对照。利用受控生长箱，将温度分别设定为高于伊比利亚半岛中部历史平均值的+1.5°C和+3.0°C，降水则调整为相对于历史区域平均值的?20%、?5%和+10%三种未来可能情景。在覆盖作物建植期结束时，评估了关键土壤参数（包括有机碳、电导率、pH、养分有效性、菌丝长度和微生物丰度）以及植物参数（如地上部和根系生物量）。结果表明，温度强烈调控了所研究参数对覆盖作物类型和降水水平的响应，+3°C情景放大了大多数植物和土壤参数在不同物种和降水水平间的差异，从而同时影响作物表现和土壤健康指标。在+3°C增温条件下，地上部生物量下降，尤其在箭筈豌豆和亚麻荠中表现明显，而大麦表现出更强的耐受性。相比之下，根系生物量在+3°C时增加，表明资源向地下系统重新分配，这是植物在覆盖作物建植期对升高温胁迫的适应性调整。降水增加促进了生物量生产和养分吸收，而水分亏缺则限制了生物量和土壤微生物丰度。与对照相比，有覆盖的土壤保持了较高的土壤有机碳含量，并表现出较低的盐分积累。总体而言，10月至12月期间的温度升高对覆盖作物地上部生长和整体土壤健康指标产生负面影响。真菌和细菌丰度从+1.5°C到+3.0°C平均分别显著下降61%和49%，尽管这些下降的幅度因降水处理而异。相比之下，古菌丰度表现出更强的耐热性。然而，针对特定情景选择适应的覆盖作物，如在+3°C条件下种植大麦，被证明能有效缓解气温升高的影响，从而增强农业生态系统的恢复力。

研究背景与问题

土壤在支撑陆地生态系统和人类生计方面发挥着核心作用，但其功能正日益受到加速气候变化的影响，威胁着包括农业生产力和恢复力在内的关键生态系统服务。在此背景下，覆盖作物（CCs）被认为是减缓和适应气候变化以及改善农业系统可持续性、促进土壤健康的有效工具，其益处包括防止侵蚀、减少养分淋溶、抑制杂草、提供绿肥、改善土壤结构以及刺激微生物多样性等。在地中海农业生态系统中，土壤通常有机质含量低且易退化，覆盖作物的实施被认为是增加土壤有机碳、改善结构稳定性和保持土壤水分的有效策略。然而，覆盖作物对土壤性质和农业生态系统功能的影响方向和程度，强烈受到气候条件、所选覆盖作物物种和当地场地特征的影响。尽管覆盖作物的农艺和环境效益已被广泛认可，但相对较少的研究考察了它们在预测气候变化情景下的响应。特别是在地中海农业生态系统中，冬季休眠前和早春的短暂生长窗口可能使冬季覆盖作物的建植期（10月至12月）对气候变率特别敏感。此外，田间试验往往受高变异性影响，因此需要在半受控条件下（如生长箱）进行补充研究，以隔离气候因素并更准确地表征土壤-植物响应。地中海地区未来将经历显著升温（最严重情景SSP5-8.5下预测2041-2070年升温+1.8°C至+3.1°C），同时降雨可能减少高达20%，这些气候变化正在深刻改变植物生理和土壤健康，因此亟需制定适应未来情景的农艺管理策略。

研究内容与意义

本研究旨在评估代表性覆盖作物在其建植期（这是覆盖作物采用的主要制约因素之一）的响应及其在高度可能发生的未来气候情景下改善土壤健康指标的能力。研究设置了三个具体目标：(a) 量化四种冬季覆盖作物（大麦、箭筈豌豆、亚麻荠及三物种混合）在地中海环境下建植期对+1.5°C和+3.0°C预期升温情景的敏感性；(b) 确定温度和降水变化（相对于参考气候平均值的?20%、?5%、+10%）的联合效应对覆盖作物建植期表现的影响；(c) 评估这些情景和作物对各种土壤健康指标的影响。研究通过建立微型生态箱（minicosms）并在受控环境生长箱中重现上述气候条件来实现这些目标。研究提出的初始假设为：(i) 10月至12月期间的温度升高有利于覆盖作物的发育，因为研究区域当前的建植期平均温度显著低于植物生长的最适温度；(ii) 尽管研究区域和时期目前显示P-ET > 0，但在全球变暖条件下，降水增加10%比降水减少情景（?20%和/或?5%）更有利于覆盖作物发育；(iii) 总体而言，土壤健康指标与覆盖作物地上部生物量产量呈正相关。这项研究对于指导地中海地区在气候变化背景下选择适应性覆盖作物物种、维持农业生态系统恢复力和土壤健康具有重要意义。

主要技术方法

研究人员采用因子设计开展研究，涉及三个因素：覆盖作物类型（大麦、箭筈豌豆、亚麻荠、三物种混合及裸土对照）、温度（+1.5°C和+3.0°C）和降水（?20%、?5%、+10%），共30个处理组合。实验土壤取自西班牙马德里地区Henares河阶地上的La Canaleja农业研究站（INIA-CSIC），为Typic Calcixerept土壤（0-20 cm层），与河沙按10:1比例混合后装入塑料盆（直径14 cm，深12 cm）构建微型生态箱。参考气候数据来源于Spain02/Iberia01数据集（1950-2015年），模拟实验期为10月16日至12月31日。使用EQUITEC EGCVS 705 3S HR LED型生长箱独立编程温度、光照强度和通风，温度按历史昼夜波动设定，灌溉量按微型生态箱表面积和降水水平计算，光周期根据邻近站点的历史辐射记录调整。采样分析包括：地上部生物量经微波消解后用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定元素含量；根际土壤（距根0.5 cm内）测定电导率（EC）、pH、有机碳（Walkley-Black法）、有效养分（Mehlich-3法提取后ICP-OES分析）、全氮（干燃烧法）；菌丝长度采用水提法和膜过滤技术测定；细菌、真菌和古菌丰度分别用16S细菌、ITS和16S古菌分子标记通过qPCR定量。统计分析采用多因子一般线性模型（GLM），使用Type III平方和检验不平衡设计的主效应和交互作用，Fisher's LSD检验（95%置信水平）进行均值比较，并采用普通最小二乘法（OLS）建立多元回归模型。

研究结果

3.1 生物量生产和土壤化学响应

在+1.5°C情景下，四种覆盖作物产生相似的地上部生物量。但当温度升至+3°C时，所有覆盖作物生物量均下降，其中箭筈豌豆和亚麻荠的降幅尤为显著，而大麦和混合覆盖作物表现出更强的生物量生产恢复力。在降水方面，+1.5°C时?5%和+10%降水情景间无显著差异；而在+3°C时差异变得更加明显，三种降水水平显示出显著不同的地上部生物量。多元回归模型量化了地上部生物量对大麦、箭筈豌豆和亚麻荠对温度和降水的依赖性，所有物种中温度均产生负面影响，降水则呈正面影响但系数幅度小于温度，大麦对升温的敏感性低于箭筈豌豆和亚麻荠。与地上部生物量相反，覆盖作物鲜根重（fresh root weight）在+3°C情景下增加，大麦根重最高，亚麻荠最低，且在高降水水平下增加更明显。淋溶盐量在对照处理中始终高于任何覆盖作物处理，并在较暖情景下增加，盐淋溶量随降水水平增加而上升。土壤电导率（EC）在最高降水水平下最低，对照处理保留最高EC值。土壤pH趋势不同：裸土pH值低于覆盖作物处理，箭筈豌豆处理的pH显著低于其他物种；+3.0°C情景下土壤pH高于+1.5°C，+10%降水水平下观察到最高pH值。

3.2 覆盖作物养分提取和土壤化学参数

所有元素提取量在+3.0°C情景下均较低，但覆盖作物类型间或降水水平间的差异在+3.0°C情景下比+1.5°C更大。+1.5°C时亚麻荠提取的Ca、Fe、Mg、Ni、P和Zn量最高；+3.0°C时大麦对Cu、K、Mn和Zn的提取量最大。最高降水水平（+10%）通常导致覆盖作物地上部生物量对土壤养分的最大提取。土壤Ca、Fe、K和P浓度，以及Mn和N，受到覆盖作物类型或降水的显著影响。在+1.5°C和+3.0°C情景下，无覆盖作物（对照）土壤中Fe、K和P浓度最高，但全氮（total N）呈相反趋势，+1.5°C情景下对照土壤浓度最低。

3.3 土壤水分、有机碳、生物参数和多元回归方程

实验期结束时土壤含水量受覆盖作物类型、降水及温度×覆盖作物交互作用显著影响，无覆盖作物处理含水量最高，其次为亚麻荠。土壤有机碳（OC）受覆盖作物类型和降水显著影响，覆盖作物使土壤OC较裸土增加约0.1%，?20%降水情景显著降低OC%。菌丝长度是最敏感的微生物变量，受覆盖作物类型、温度和降水水平显著影响，在+3°C情景下显著增加，尤其在裸土中，最高降水水平（?5%和+10%）下也较高。细菌丰度受覆盖作物类型和温度显著影响，所有处理从+1.5°C升至+3.0°C时细菌丰度均下降，温度×降水交互作用表明+10%降水情景部分缓解了升温效应。真菌丰度受温度和降水显著影响，所有处理在+3°C下真菌丰度降低。相比之下，古菌平均丰度对温度情景未表现出显著敏感性。多元回归模型确定土壤磷浓度为所有物种地上部生物量的关键预测因子。

讨论与结论

讨论部分总结

+3.0°C情景增加了所研究覆盖作物间的差异，并加剧了它们对降水情景的对比响应，表明较暖地中海条件下覆盖作物表现强烈依赖于物种选择和水资源可用性。+3°C升温作为阈值限制了某些物种的地上部发育，亚麻荠和箭筈豌豆表现出高热敏感性，而大麦和混合覆盖作物保持较不敏感的响应，大麦显示出最明显的农艺优势。根系产量增加伴随地上部生物量下降表明资源向地下系统重新分配以应对热胁迫，大麦在+3°C时根生物量最大，表明其更强的胁迫适应调整。养分吸收受温度强烈影响，+3°C情景下提取量普遍下降，大麦在较强升温下维持养分吸收最有效。覆盖作物根系可能作为离子保留机制，限制盐分淋溶损失，裸土在+3.0°C下盐分积累风险最大。温度升高还直接影响土壤过程，无覆盖作物时+3.0°C降低盐淋溶同时增加土壤EC。实验土壤缓冲能力有限，升温导致pH升高可能降低微量元素有效性，箭筈豌豆通过生物固氮产生质子排放使pH相对较低。升温未显著改变OC%，但?20%降水降低OC%，覆盖作物通过提供新鲜有机输入增加根际OC。菌丝长度对升温呈正响应，裸土中菌丝长度更大可能反映真菌在资源有限时的探索性生长策略。细菌和真菌丰度从+1.5°C到+3.0°C平均分别下降61%和49%，高降水可部分缓冲升温的负面影响，而古菌丰度保持稳定，显示更强的热耐受性。亚麻荠降低细菌、真菌和古菌丰度，与其十字花科植物的生物熏蒸活性（释放异硫氰酸酯）一致。混合覆盖作物未优于大麦单作，表明短期内更高的物种丰富度不一定转化为更好的表现。

结论翻译

升温情景在养分吸收、盐分动态、根际有机碳和微生物丰度等土壤健康指标中诱导了清晰且作物特异性的响应。在覆盖作物建植和初始生长期，覆盖作物通常比裸土减少盐分淋溶、提高资源利用效率并增加根际土壤有机碳。此外，覆盖作物（亚麻荠除外）增加了细菌和真菌的丰度，这些是调节养分循环的关键因素。然而，物种表现取决于升温情景；在+3.0°C时，大麦表现最佳，强调减少降水和对热适应物种的选择在较强升温下取得成功至关重要，并凸显了根据区域气候预测选择覆盖作物的必要性。混合覆盖作物未优于大麦单作，表明在本实验的短期条件下，更高的物种丰富度不一定转化为改善的表现。重要的是，+3.0°C处理显著降低了覆盖作物的磷吸收，表明农业生态系统功能可能受到严重损害。在最暖情景下无植被覆盖时，由于淋溶减少和生物量输出有限，盐分积累，表明在没有覆盖的情况下升温存在切实的土壤盐渍化风险；然而，覆盖作物对盐度影响的幅度和方向在不同气候下的效应有待进一步研究。最后，从可持续管理的角度来看，为每个升温情景纳入适当的覆盖作物是保护土壤健康、减缓退化并增强地中海农业生态系统对气候变化恢复力的有效策略。尽管如此，仍需更长尺度的研究来量化这些效应如何延伸到主体土壤并影响后续经济作物。