玉米间作肯尼亚几内亚草的行内与行间播种方式对土壤健康、生理特性及后茬大豆产量的影响

《Journal of Agriculture and Food Research》：The sowing of Quênia guinea grass within-row and between-row in maize intercropping affects soil health, physiology, and yield of the succeeding soybean

　　

气候变化是全球最紧迫的挑战之一，对生态系统、经济和人类福祉产生深远影响。农业尤其脆弱，因为它高度依赖气候条件，同时在保障全球粮食安全方面发挥着根本性作用。气温升高和降水格局变化日益威胁传统农业实践的可持续性。因此，开发既能满足不断增长的粮食需求，又能促进环境可持续性和减缓气候变化的农业系统，已成为主要的科学和社会优先事项。综合农业系统，特别是综合作物-畜牧系统（ICLS），通过提高土地利用效率、土壤肥力、生产多样化和农业生产率，同时增强环境可持续性和系统韧性，是应对这些挑战的有前景的策略。综合生产系统涉及在同一农业区域内通过轮作、连作和/或间作种植不同作物。这些系统在增加土壤碳固存、增强土壤有机质稳定性以及通过改善养分循环和减少对矿质肥料的依赖来缓解温室气体排放方面发挥着关键作用。此外，作物残体在土壤表面的积累增强了土壤覆盖，保持了土壤水分，并缓冲了温度波动，从而提高了农业生态系统对气候变化的韧性。最近，综合生产系统因其改善土壤健康的潜力而备受关注。土壤健康被定义为土壤作为一个维持植物、动物和人类的生命生态系统的持续能力。作为生态系统功能的综合指标，土壤健康指数已成为评估热带农业生态系统气候变化适应策略的重要指标。它通常通过一套涵盖化学、物理和生物学特性的土壤质量指标来评估，这些指标调节着养分的供应、储存和循环。虽然化学和物理指标已很成熟，但生物学指标，特别是β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶的活性，因其对土壤管理变化的高度敏感性而受到越来越多的关注。这些酶已被证明是土壤健康的可靠指标，也是评估农业管理实践可持续性的宝贵工具。在综合生产系统中，热带牧草通过提供淡季饲料和作为覆盖作物产生大量生物量并促进养分循环，从而改善土壤肥力，发挥着双重作用。在这些物种中，Panicum maximum因其高生物量产量和优于其他C4牧草的饲草品质而引起了广泛兴趣。最近，Mendes等人（2026）证明，在以保护为基础的农业生产系统中纳入高生物量牧草，可以创造更具生物活性的土壤，增强土壤有机碳积累，并提高农业系统的韧性和生产力。肯尼亚几内亚草具有适合综合生产系统的理想特性。其中等生长习性使其非常适合与一年生作物间作，同时为后茬作物提供充足的地表残体。然而，确定最合适的播种方法对于最大化其作为覆盖作物的有效性并确保生产系统的成功至关重要。此外，不同建植方法对土壤健康、土壤微气候以及后茬作物生理表现的影响仍知之甚少。解决这些知识空白对于优化旨在最大化残体产量，同时保持或提高大豆籽粒产量（与传统生产系统相比）的牧草建植策略至关重要。因此，本研究评估了玉米单作、肯尼亚几内亚草单作以及玉米与肯尼亚几内亚草（行内或行间播种）间作的残体对土壤呼吸、土壤微气候、化学性质和酶活性，以及对后茬大豆生理表现和生长的影响。将无地表作物残体的常规大豆生产系统作为对照。研究人员假设，与玉米单作后的残体相比，在玉米与肯尼亚几内亚草间作产生的残体上种植的大豆将表现出更有利的土壤微气候条件、改善的土壤化学性质和更高的酶活性。此外，研究人员预期，与传统大豆生产系统相比，土壤功能的这些改善将提高大豆的生理表现、植株生长和籽粒产量。

研究背景与目的

气候变化对全球农业可持续性构成严峻挑战，传统农业实践在保障粮食安全的同时，亟需向环境友好型模式转型。综合作物-畜牧系统（ICLS）通过提高土地利用效率、改善土壤肥力和增强系统韧性，成为应对这一挑战的关键策略。然而，不同牧草建植方式对土壤健康、土壤微气候及后茬作物生理性能的影响机制尚不清晰。本研究聚焦于肯尼亚几内亚草（Panicum maximum cv. Quênia）与玉米间作系统中，行内与行间播种方式所产生的残体对后茬大豆生长的影响，旨在填补该领域的知识空白，并为优化热带地区覆盖作物管理策略提供科学依据。

研究方法与技术路线

研究在巴西戈亚斯州里奥韦尔迪的联邦戈亚诺研究所实验站进行，跨越2021年1月至2022年3月两个连续生长季。关键技术方法包括：采用LI-8100A CO₂通量系统测定土壤呼吸；利用红外表面温度计和土壤温度计监测土壤微气候（地表温度和5 cm深处温度）；通过分光光度法测定土壤β-葡萄糖苷酶（GLU）、酸性磷酸酶（PHOS）和芳基硫酸酯酶（ARYL）的活性；使用LI-6800便携式光合作用系统测量大豆叶片气体交换参数（净光合速率A、气孔导度g_s、蒸腾速率E）；运用四象限模型（4QM）整合平均特异性酶活性（ASEA）与土壤有机碳（SOC）评估土壤健康状态；并通过主成分分析（PCA）和层次聚类热图进行多变量统计分析。

研究结果

3.1 土壤呼吸、微气候、化学性质及酶活性

不同覆盖系统间土壤呼吸无显著差异。所有覆盖处理均显著降低了土壤表面温度（平均降低32.9%，至20.9 °C）和5 cm深处土壤温度（平均降低18.5%，至25.58 °C），而土壤水分含量在各处理间无显著差异。含有肯尼亚几内亚草残体的处理（无论是单作还是间作）显著提高了土壤磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、阳离子交换量（CEC）、盐基饱和度（V%）和全氮（TN）含量，同时增加了β-葡萄糖苷酶（GLU）、酸性磷酸酶（PHOS）和芳基硫酸酯酶（ARYL）的活性。具体而言，与玉米单作和无覆盖处理相比，肯尼亚几内亚草覆盖使GLU活性分别提高1.3倍和2.0倍，PHOS活性分别提高1.3倍和1.7倍，ARYL活性分别提高1.3倍和2.3倍。土壤有机碳（SOC）在含肯尼亚几内亚草的处理中也最高，比玉米单作和无覆盖处理分别高出20.77%和38.18%。基于四象限模型（4QM）的分析表明，所有含肯尼亚几内亚草的处理均位于象限1（Q1，健康土壤），玉米单作处理处于象限4与象限1的过渡区（恢复中），而无覆盖的常规大豆系统则处于象限3（Q3，不健康土壤）。

3.2 大豆叶片气体交换

肯尼亚几内亚草单作、玉米与肯尼亚几内亚草行内间作及行间间作三个处理的大豆净光合速率（A）分别比无覆盖的常规大豆系统高出约52%、46%和59%。所有覆盖处理的气孔导度（g_s）均显著高于无覆盖处理。除玉米-肯尼亚几内亚草行内间作处理外，其余覆盖处理的蒸腾速率（E）也显著高于对照。然而，内在水分利用效率（iWUE）在各处理间无显著差异。

3.3 大豆叶绿素指数与植株生长

所有覆盖处理的大豆叶片叶绿素指数平均比无覆盖处理高出约27.4%。植株高度在各处理间无显著差异。大豆地上部生物量在玉米-肯尼亚几内亚草行内间作处理中最高，其次是行间间作处理，玉米单作和肯尼亚几内亚草单作居中，无覆盖的常规系统最低。

3.4 覆盖作物生物量与大豆产量关系

覆盖作物残体生物量与大豆籽粒产量呈正相关。与无覆盖的常规系统（3637 kg ha^-1）相比，玉米单作使大豆增产约10%。引入肯尼亚几内亚草后，大豆产量进一步提升至4998、4739和5158 kg ha^-1（分别对应肯尼亚几内亚草单作、行内间作和行间间作）。回归分析显示，β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶活性及总有机碳可分别解释大豆产量变异的92.5%、78.6%、92.8%和62.3%。

结论与意义

本研究表明，将肯尼亚几内亚草作为覆盖作物纳入玉米-大豆轮作系统，尤其是通过间作方式建植，能够显著改善土壤健康状态。这种改善主要体现在：降低土壤温度、提升土壤酶活性（GLU、PHOS、ARYL）、增加土壤有机碳（SOC）和有效养分含量。这些土壤功能的优化进而促进了后茬大豆的光合生理性能（提高A、g_s、E）和生物量积累，最终实现了籽粒产量的显著提升。研究结论指出，与传统无覆盖的常规大豆生产系统相比，采用包含肯尼亚几内亚草的综合生产系统（无论是单作还是与玉米间作），均能使土壤从“不健康”（Q3）状态转变为“健康”（Q1）状态，而玉米单作则使土壤处于“恢复中”（Q4）的过渡阶段。该研究强调了高生物量热带牧草在构建可持续农业系统中的关键作用，为热带地区通过优化覆盖作物管理策略实现农业增产与环境保护的双重目标提供了重要的理论依据和实践指导。