《Agronomy Journal》：Cover crops improve soil health across termination strategies in organic cropping systems of the Mid-South United States
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低土壤有机质和肥力水平是美国中南部有机农业的限制因素。将覆盖作物与放牧相结合并减少耕作作为轮作的一部分，可能有助于改善土壤健康并提高系统的盈利能力和韧性。本研究评估了覆盖作物终止策略（免耕NT、免耕+放牧NTG、常规耕作CT、常规耕作+放牧CTG）在不同景观位
低土壤有机质和肥力水平是美国中南部有机农业的限制因素。将覆盖作物与放牧相结合并减少耕作作为轮作的一部分，可能有助于改善土壤健康并提高系统的盈利能力和韧性。本研究评估了覆盖作物终止策略（免耕NT、免耕+放牧NTG、常规耕作CT、常规耕作+放牧CTG）在不同景观位置（山顶和坡侧）对土壤性质及土壤管理评估框架SMAF土壤健康指数的影响。研究人员于2021年和2024年采集了0-15 cm和15-30 cm深度的土壤样品，分析了土壤有机碳SOC、全氮N、pH值、电导率EC、容重、有效磷P和钾K、潜在矿化氮PMN以及β-葡萄糖苷酶活性。经过3年后，覆盖作物使各处理的土壤有机碳SOC和全氮N增加了20%-27%，表层土壤健康提升了3%，其中在山顶位置的效果比坡侧更为显著。总体而言，常规耕作+放牧CTG处理具有最高的电导率EC，这可能是由于尿液和粪便沉积增加了可溶性盐分。在0-15 cm深度，免耕NT和免耕+放牧NTG处理的潜在矿化氮PMN比常规耕作+放牧CTG高30%，表明保护性管理带来了更高的氮有效性。随机森林分析确定磷P和土壤有机碳SOC是土壤质量最重要的预测因子。总体而言，这些发现表明，无论采用何种终止策略，覆盖作物都能改善表层土壤健康，而针对景观位置进行养分管理是提升美国中南部有机农业系统土壤健康的关键。
研究背景与问题
土壤健康被定义为土壤维持动植物生产力同时保护空气和水质的能力。健康的土壤能够调节水分和养分循环、过滤污染物，并为植物生长和人类活动提供物理支撑，因此是长期再生农业、粮食安全和人类健康的基石之一。尽管通过保护计划提供了全国性的补贴，但在美国，增加土壤健康的最佳管理实践（如免耕、覆盖作物和轮作）的采用并不一致，这可以归因于更复杂的管理以及有时与传统土壤管理相比有限或无产量增益。因此，需要进一步研究以理解土壤健康与作物生产之间的复杂关系，并优化最佳管理实践以提高其采纳率和自然资源保护。
覆盖作物因其多重环境和农艺效益而被广泛认可，包括更大的土壤有机碳SOC储存、减少土壤侵蚀、增强土壤肥力、杂草控制和生物多样性。然而，覆盖作物可能会在水资源受限的环境中导致后续作物减产，从而增加了管理的复杂性。在有机系统中，可以使用耕作、放牧和碾压等方式终止覆盖作物。此外，作物-牲畜整合已在多项传统种植系统研究中显示出增加土壤有机碳SOC、土壤氮N、磷P和钾K水平、作物产量并减少杂草压力的效果。然而，对于这些不同策略如何相互作用以影响美国中南部有机行播作物系统的土壤健康和生态系统服务，目前的认识仍然有限。
土壤健康框架将多种土壤属性转化为评分，量化管理影响并识别土壤健康差距。土壤管理评估框架SMAF已被广泛用于展示保护管理对土壤健康的影响，展示了覆盖作物以及综合作物-牲畜系统带来的土壤结构、微生物活性和养分循环的增强。然而，这些积极效应的程度可能因作物系统、土壤和景观以及气候区域而异。目前，关于覆盖作物在向有机转型的系统中的土壤健康效应，特别是在湿润地区和风化土壤（如美国中南部）中，仍存在知识空白。此外，理解地形如何通过养分移除和沉积控制土壤健康变异，对于改进整个景观中的覆盖作物管理至关重要，但这方面也尚未得到探索。
因此，本研究的目的是评估四种覆盖作物终止策略，包括免耕NT和常规耕作CT系统（有无放牧），在美国中南部阿肯色州布恩维尔的有机大豆-高粱轮作系统中，对不同景观位置（山顶和坡侧）的土壤性质和SMAF土壤健康指数的影响。研究人员假设：（i）与免耕相比，与常规耕作CT相关的土壤扰动会减少碳储存和整体土壤健康，且在坡侧损失更大；（ii）由于粪肥输入带来的更高土壤肥力、养分循环和微生物活性，放牧将比不放牧更能改善土壤健康。研究人员预期，由于坡侧的土壤有机质SOM和养分损失差异，山顶的土壤健康指数会有更大的总体增长。
研究方法与技术
本研究在美国农业部-农业研究服务局戴尔·邦珀斯小型农场研究中心（位于阿肯色州布恩维尔附近）的认证有机土地上进行。土壤主要为Leadvale粉砂壤土（细粉质、硅质、半活性、热性Typic Fragiudults）。实验于2021年建立，采用随机完全区组设计，包含4种处理和4个重复（每个0.12公顷），每种处理在两个坡度等级（山顶和坡侧位置）中各有两个重复。此前，该场地是一个由百慕大草、高羊茅及其他冷季型禾本科和豆科植物混合组成的干草牧场。处理包括四种土壤管理和覆盖作物系统，具有不同的终止策略：（1）免耕NT，经济作物直接播种到秋季种植的覆盖作物中，然后在春季通过辊压碾压终止；（2）免耕+放牧NTG，秋季种植的覆盖作物被放牧，放牧后立即重新种植覆盖作物；（3）常规耕作+放牧CTG，秋季覆盖作物被放牧，并在耕作后重新种植；（4）常规耕作CT，一种双季种植系统，秋季种植的覆盖作物收获谷物，覆盖作物在耕作后种植。
关键的技术方法包括：利用土壤管理评估框架SMAF计算土壤健康指数；使用随机森林重要性模型排序与土壤健康相关的预测变量；通过方差分析ANOVA评估处理、坡位、土壤深度和年份对土壤理化性质及SMAF指数的影响。
研究结果
3.1 景观对基线土壤健康的影响
大多数基线土壤理化性质和SMAF指数在景观位置和土壤深度之间存在差异。2021年，在0-15 cm深度，山顶的土壤有机碳SOC、全氮N和磷P浓度分别比坡侧高46%、57%和3倍，而在15-30 cm深度所有土壤性质均无差异。因此，2021年的SMAF土壤质量指数SQI在山顶平均为64%，比坡侧的55%高出16%。这些发现反映了农业区域景观效应对沉积物和养分侵蚀与沉积的影响。
3.2 覆盖作物管理对土壤健康的影响
3年后，景观位置和土壤深度之间的土壤理化性质差异依然存在。0-15 cm深度的土壤有机碳SOC和全氮N浓度分别增加了22%和27%。相应地，土壤有机碳SOC储量从37 Mg ha-1增加到44 Mg ha-1，全氮N储量从3.7 Mg ha-1增加到4.6 Mg ha-1。土壤有机碳SOC的SMAF评分从83%增加到97%，而土壤pH评分从98下降到93。土壤钾K浓度在2021年至2024年间翻了一番，但钾K评分未受影响。山顶的土壤有机质SOM和养分浓度仍高于坡侧，导致3年后山顶的SMAF土壤质量指数SQI（77%）高于坡侧（70%）。
在15-30 cm深度，随时间变化的土壤健康指标较少。3年后，土壤容重增加了6%，土壤磷P浓度下降了65%，土壤pH值下降了4%，电导率EC增加了48%。这些变化共同导致了15-30 cm深度土壤质量的整体下降（相对于2021年减少了6%），这与表土层土壤质量的改善形成对比。
2024年，0-15 cm深度的β-葡萄糖苷酶BG活性比15-30 cm层高出近4倍，表明表层的整体微生物活性更高。此外，山顶的β-葡萄糖苷酶BG活性比坡侧低28%。
土壤电导率EC、潜在矿化氮PMN及其评分受到0-15 cm深度覆盖作物管理策略的影响。在0-15 cm深度，常规耕作+放牧CTG处理在山顶的电导率EC是常规耕作CT的两倍，在坡侧则是常规耕作+放牧CTG和免耕NT的两倍。在15-30 cm深度也观察到了类似的模式。2024年，免耕NT和免耕+放牧NTG在0-15 cm深度的潜在矿化氮PMN比常规耕作+放牧CTG高30%，而常规耕作CT的潜在矿化氮PMN值为中间值（72 mg kg-1）。
3.3 有机覆盖作物系统中的土壤健康驱动因素与管理启示
随机森林重要性模型表明，土壤磷P和土壤有机碳SOC是对土壤健康贡献最大的变量，其次是土壤全氮N、容重和钾K。处理效应被排除在最终模型之外，因为其纳入对均方根误差RMSE的改善微乎其微，这表明覆盖作物终止策略并非这些系统土壤质量指数SQI变化的主要驱动因素。山顶较高的土壤质量指数SQI与增加的土壤有机碳SOC和磷P水平密切相关，而土壤磷P的减少是所有系统中土壤质量随时间下降的关键因素。
总结与讨论
总体而言，结果表明，在有机系统中进行3年的覆盖作物管理增强了土壤有机质SOM固存、氮有效性和整体土壤健康。这些通过SMAF土壤质量指数SQI衡量的土壤健康改善在表土层和山顶位置更为明显，并且不依赖于覆盖作物终止策略。景观位置对土壤有机质SOM分布和养分动态的显著影响表明，至少在本次研究评估的时间范围内，地形驱动的过程可能超过覆盖作物对土壤健康的具体影响。然而，放牧倾向于增加土壤电导率EC，而免耕NT则增强了潜在矿化氮PMN，这表明放牧和免耕都是改善与养分可用性相关的土壤健康属性的实践。最后，土壤磷P和土壤有机碳SOC被证明是这些系统中土壤健康的主要驱动因素，强调了需要进行有针对性的养分管理（即考虑地形驱动侵蚀和景观中养分再分配的影响），以维持有机系统中的土壤功能和作物生产。这些发现为亚热带湿润地区、土壤固有肥力低的地区的特定地点管理提供了实用指导。
研究结论翻译
在有机行播作物系统中整合覆盖作物和放牧增强了土壤有机质SOM、养分有效性和通过SMAF土壤质量指数SQI衡量的整体土壤健康。经过3年后，覆盖作物管理使各处理的土壤有机碳SOC和全氮N增加了20%-27%，表层土壤健康提升了3%。这些效应在山顶位置比坡侧更为明显，并且不依赖于覆盖作物终止策略。常规耕作+放牧CTG增加了电导率EC，很可能是由于尿液和粪便沉积增加了土壤溶液中的可溶性盐分。在0-15 cm深度，免耕NT和免耕+放牧NTG下的潜在矿化氮PMN比常规耕作+放牧CTG高30%，展示了保护性管理带来的更高氮有效性。随机森林分析确定磷P和土壤有机碳SOC是这些系统中土壤质量的最重要预测因子，强调了在有机系统中，尤其是在土壤肥力水平次优的土壤中，需要战略性养分管理以维持土壤功能和作物生产力。这项研究为美国中南部亚热带湿润地区的有机种植者提供了实用的知识，以支持特定地点的覆盖作物管理。
