热带蔬菜种植系统中覆盖作物轮作对土壤健康的短期改善效应及其土壤类型依赖性

《Frontiers in Soil Science》：Cover crop rotations improve soil health in commercial tropical vegetable systems, but responses depend on soil type

　　

可持续蔬菜生产需要健康的土壤。尽管覆盖作物作为一种保护性措施在温带大田作物中对土壤健康的中长期改善效应已被广泛研究，但热带蔬菜系统中土壤健康的短期恢复情况却鲜有文献记载。研究人员在波多黎各半干旱南部海岸的两个自治市——瓜尼卡（Guánica，壤质典型钙积干旱土，Typic Calciargids）和圣伊莎贝尔（Santa Isabel，黏质典型暗色变性土，Typic Haplusterts）的商业农场中，评估了从蔬菜–休耕轮作转变为蔬菜–覆盖作物轮作（豆科或豆科–禾本科）的效果。在瓜尼卡，研究人员评估了三个年度轮作周期（cycles），设置三种处理：常规管理（conventional management，CM，以自生杂草为覆盖）、通过生物固氮贡献氮（N）的豆科覆盖作物（主要为菽麻，Crotalaria juncea L.），以及增强生物量和碳（C）输入的豆科–禾本科覆盖作物（主要为苏丹草杂交种，Sorghum × drummondii）。在圣伊莎贝尔，研究人员评估了两个周期，设置两种处理：CM和同时种植、同时贡献N和C的豆科–禾本科混合覆盖作物。研究人员在基线和每次覆盖作物终止并翻压入土后，测定了16项土壤物理、化学、肥力和生物指标。在两个试验点，覆盖作物轮作比CM向土壤归还了更多的生物量和碳。在瓜尼卡，覆盖作物改善了土壤健康，两种覆盖作物均显著提高了土壤有机质（soil organic matter，SOM）、高锰酸钾氧化碳（permanganate-oxidizable carbon，POX-C）和有效磷（P），豆科–禾本科覆盖作物还显著促进了小大团聚体形成和有效阳离子交换量（effective cation exchange capacity，ECEC）。在覆盖作物处理下，土壤呼吸（24小时激发和3天累积呼吸）随时间推移而改善，β-葡萄糖苷酶活性在覆盖作物下得以维持或提高，而在CM下则下降；β-氨基葡萄糖苷酶对覆盖作物的响应短暂且不一致。在圣伊莎贝尔，覆盖作物提高了24小时激发和β-葡萄糖苷酶活性，而POX-C和3天呼吸随时间推移而改善。这些对比鲜明的响应表明，瓜尼卡的壤质钙积干旱土SOM和黏粒含量较低，缓冲能力较弱，对覆盖作物碳和氮输入的响应更敏感。覆盖作物可促进热带蔬菜系统土壤健康的短期改善，但响应幅度似乎取决于土壤固有特性和时间。

一、研究背景与问题

可持续蔬菜生产高度依赖健康的土壤。然而，热带岛屿环境中的蔬菜生产面临诸多挑战：多数蔬菜作物价值高、前期投入大、易受病虫害胁迫，且利润波动剧烈。生产系统以集约化、短周期、连续种植为特征，高度依赖外部投入。传统农艺措施包括连续耕作以降低杂草压力、较高水平的化肥投入以及除草剂和杀虫剂的使用。这些集约化栽培措施会破坏自然发生的过程，导致土壤有机质（SOM）流失，进而损害土壤功能。SOM的流失会削弱土壤维持物理、化学和生物性质的能力，降低土壤生态系统服务，最终反映为整体土壤健康水平的下降。

土壤健康管理系统措施（SHMS）是通过增加碳（C）输入、建立永久性土壤覆盖、增加生物量残留物和增强植物多样性来恢复退化土壤的措施。覆盖作物作为一种SHMS策略已被广泛推广，通常种植于经济作物之间以替代休耕期。然而，关于覆盖作物改善土壤健康所需时间及响应程度，现有研究结果存在矛盾。部分研究未发现覆盖作物对土壤碳库、微生物活性、土壤结构、水分保持或养分有效性有显著影响。蔬菜系统由于集约耕作、短轮作和外部投入，覆盖作物响应表现出特别高的变异性。此外，现有文献多集中于温带地区谷物生产中的冬季覆盖作物（如黑麦、燕麦和野豌豆），对热带蔬菜生产中覆盖作物（如菽麻、黧豆和豇豆）的研究存在知识空白。覆盖作物对土壤健康的影响可能取决于气候、土壤类型、物种选择、管理措施和时间尺度。因此，本研究旨在评估覆盖作物作为SHMS在波多黎各热带蔬菜种植系统中对土壤健康的影响，假设豆科及豆科–禾本科覆盖作物轮作和时间的推移能改善土壤健康，而常规管理下土壤健康预期不会发生变化。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员在波多黎各半干旱南部海岸的两个商业蔬菜农场开展田间试验：瓜尼卡（Guánica，壤质典型钙积干旱土，Typic Calciargids）和圣伊莎贝尔（Santa Isabel，黏质典型暗色变性土，Typic Haplusterts）。瓜尼卡设置3个年度轮作周期，包含常规管理（CM，自生杂草）、豆科覆盖作物（主要为菽麻，Crotalaria juncea L.）和豆科–禾本科覆盖作物（主要为苏丹草杂交种，Sorghum × drummondii）三种处理；圣伊莎贝尔设置2个周期，包含CM和豆科–禾本科混合覆盖作物两种处理。试验采用裂区设计，覆盖作物为整区处理，采样时间为亚区处理。主要技术方法包括：土壤质地测定（次氯酸钠去除SOM后采用六偏磷酸钠分散和0.053 mm筛分）、田间持水量（GWFC，约?33 kPa）测定（多孔板法）、水稳性团聚体粒径分布测定（湿筛法，分为>2 mm大团聚体、250 μm–2 mm小大团聚体、53–250 μm微团聚体和<53 μm砂粒+粉粒）、高锰酸钾氧化碳（POX-C）测定（0.02 M KMnO₄反应法）、全氮（N）测定（干燃烧法）、土壤肥力分析（SOM采用烧失量法，有效磷采用Olsen提取法，硝态氮采用水提取法，交换性阳离子采用醋酸铵提取法）、有效阳离子交换量（ECEC）估算（交换性阳离子之和）、短期土壤呼吸测定（24小时激发和3天累积CO₂释放，碱液吸收滴定法）、β-葡萄糖苷酶活性测定（对硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷底物法）以及β-氨基葡萄糖苷酶活性测定（微孔板荧光法）。统计分析采用Python 3.12，进行III型方差分析（ANOVA），使用Greenhouse–Geisser校正，处理间均值分离采用Fisher最小显著差数法（LSD）。

三、研究结果

3.1 瓜尼卡的覆盖作物×时间交互作用

在瓜尼卡，16项土壤健康指标中有7项受覆盖作物×时间交互作用影响，包括土壤pH、NO₃-N、交换性K、24小时激发、3天呼吸、β-葡萄糖苷酶和β-氨基葡萄糖苷酶。基线时，24小时激发和3天呼吸在各处理间无差异，但交换性K在豆科处理中较高，豆科–禾本科处理初始pH较低、β-葡萄糖苷酶和β-氨基葡萄糖苷酶活性较低、NO₃-N较高。随时间推移，所有处理土壤pH持续升高，至周期3较基线升高0.5–0.8个单位。NO₃-N在所有处理中随时间下降，豆科–禾本科处理从基线到周期3下降80%。交换性K在豆科处理中始终高于CM，且随时间下降16%。24小时激发在所有处理中均随时间增加，但覆盖作物处理的增幅更大，周期3时豆科覆盖作物较CM高82%，较基线高166%。3天呼吸在CM中随时间下降，而豆科–禾本科覆盖作物保持较高水平，周期3时较CM高75%。β-葡萄糖苷酶活性在豆科覆盖作物中维持高水平，在豆科–禾本科覆盖作物中随时间持续增加，而在CM中下降24%。β-氨基葡萄糖苷酶活性在周期2时覆盖作物处理显著升高，但周期3时回落至与CM和基线无差异的水平。

3.2 瓜尼卡的覆盖作物主效应

全氮和大团聚体不受处理或时间影响。其余6项指标受覆盖作物处理或时间主效应影响。两种覆盖作物相对CM平均提高SOM 20%（23.3 vs. 27.9 g kg^-1）、POX-C 27%（268 vs. 339 mg kg^-1）和有效磷32%（20.5 vs. 27.0 mg kg^-1）；田间持水量有增加趋势（12%，p = 0.06）。豆科–禾本科覆盖作物较CM显著提高小大团聚体（55%）和ECEC（13%），而豆科覆盖作物与两者均无差异。随时间推移，小大团聚体在周期1后下降28–41%，微团聚体增加24–26%，田间持水量在周期2和3增加28–29%，SOM增加22–28%，而POX-C下降9–12%，有效磷下降14%。

3.3 圣伊莎贝尔的覆盖作物和交互作用效应

在圣伊莎贝尔，4项指标（土壤pH、POX-C、3天呼吸和β-氨基葡萄糖苷酶）受覆盖作物×时间交互作用影响。与瓜尼卡相反，土壤pH在周期1时两种处理均下降，周期2时CM升高而覆盖作物处理不变。POX-C和3天呼吸在覆盖作物处理中随时间增加，周期2时分别较CM高56%和82%，且均显著高于基线。β-氨基葡萄糖苷酶在周期1时方向相反：CM较基线下降42%，覆盖作物处理较基线增加177%，周期2时均回到基线水平。24小时激发和β-葡萄糖苷酶在覆盖作物处理中分别较CM高53%（72.7 vs. 47.6 mg CO₂-C kg^-1）和38%（49.4 vs. 35.8 mg PNP kg^-1 h^-1）。田间持水量在周期2较基线增加27%，NO₃-N在周期1增加182%后回到基线，β-葡萄糖苷酶在周期2增加25%。

四、讨论与结论

覆盖作物向土壤输入的生物量普遍高于自生杂草，瓜尼卡三年累计干物质为豆科–禾本科40,206 kg ha^-1、豆科14,228 kg ha^-1、CM杂草9,473 kg ha^-1；圣伊莎贝尔两年累计覆盖作物干物质17,003 kg ha^-1、杂草2,598 kg ha^-1。瓜尼卡SOM和POX-C的同步提高表明SOM增加部分由活性、新添加的残留物碳驱动。豆科–禾本科覆盖作物C:N比（58:1）高于豆科（20:1）和CM（17:1），高C:N比残留物分解较慢，更有利于碳稳定。圣伊莎贝尔未检测到SOM响应，可能因其变性土（Vertisol）高黏粒含量（38–39%）和蒙脱石型2:1矿物对有机碳的物理保护作用，以及较大的背景SOM库掩盖了短期增量。POX-C在两个试验点均表现出高敏感性，能快速捕捉活性碳库的变化。全氮在两个试验点均无处理效应，符合氮库对重复残留物归还的缓慢累积响应。覆盖作物处理后NO₃-N较低可能反映高C:N比残留物引发的暂时性氮固定。瓜尼卡覆盖作物处理有效磷和交换性K较高，与植物吸收和残留物翻压后的养分再循环有关。豆科–禾本科覆盖作物中ECEC的逐步改善支持了养分保持能力的增强。瓜尼卡覆盖作物下田间持水量可能增加12%，与SOM增加促进的亲水基团形成有关。小大团聚体的选择性增加归因于高C:N比残留物提供的持续碳源促进微生物代谢物和真菌菌丝结合微团聚体。圣伊莎贝尔因蒙脱石黏土的强烈胀缩循环和较高黏粒含量，物理性质对管理措施变化具有较强缓冲能力。土壤呼吸是响应最灵敏的指标，覆盖作物处理因微生物对活性底物的响应而增强。β-葡萄糖苷酶在豆科–禾本科覆盖作物中随时间逐步提高，反映连续残留物翻压提供的纤维素底物支持了微生物群落扩张。β-氨基葡萄糖苷酶响应短暂且不一致，因其N循环途径依赖于真菌生物量和节肢动物物质的积累，产生更可变且阶段依赖的酶响应。

研究结论：在瓜尼卡的典型钙积干旱土中，覆盖作物轮作在短期年度周期内显著改善了部分土壤健康指标，两种覆盖作物在SOM、POX-C和有效磷方面均持续优于CM，豆科–禾本科覆盖作物在小大团聚体形成和ECEC方面也优于CM。覆盖作物对24小时激发、3天呼吸和β-葡萄糖苷酶等短期生物指标的效应随时间呈正向调节。在圣伊莎贝尔的典型暗色变性土中，覆盖作物效应主要限于第二周期后的活性生物和碳库指标，包括24小时激发、β-葡萄糖苷酶、POX-C和3天呼吸；SOM、团聚体和肥力指标无检测到的处理响应，可能归因于高黏粒蒙脱石变性土的缓冲能力和较大的背景SOM库。这些对比鲜明的农场响应强调，覆盖作物作为半干旱热带蔬菜系统中SHMS的有效性受土壤类型和累积生物量输入的强烈调控。POX-C和土壤呼吸（24小时激发和3天呼吸）是两个试验点最可靠的土壤健康早期改善指标；酶活性对初始空间变异和瞬时动态更敏感，应结合基线值进行解释。