豆科覆盖作物在莴苣–莴苣–燕麦轮作体系中促进养分循环与生物量生产：一项盆栽试验研究

《Horticulturae》：Legume Cover Crops Enhance Nutrient Cycling and Biomass Production in a Lettuce–Lettuce–Oat Cropping Sequence in a Pot Experiment

　　

摘要专业翻译 本研究评估了七种覆盖作物（五种豆科、一种禾本科和一种十字花科）的表现及其对莴苣–莴苣–燕麦轮作的残留效应。研究采用完全随机设计，设置八个处理、三次重复，在12 L盆栽中进行，以评估生物量生产、养分积累以及覆盖作物对后续作物和土壤性质的影响。豆科作物产生的生物量（97.0–152.9 g pot?1）显著高于非豆科作物（7.5–11.1 g pot?1）。豆科作物的氮（N）积累量（2.2–3.1 g pot?1）也显著高于非豆科作物（0.1 g pot?1）。采用差值法估算，豆科作物积累的氮中超过96%来源于大气，这凸显了在本试验条件下大气氮固定对豆科作物氮积累的重要性。豆科物种之间也存在差异。尽管豆科作物组织中磷（P）及其他养分的浓度较低，但这归因于与更大生物量生产相关的稀释效应，而非养分吸收受限。覆盖作物对后续经济作物产生了显著影响。豆科作物之后种植的作物在生物量、氮状态和光合性能方面显著高于非豆科作物或对照处理之后的作物。这些效应在第一个作物周期中最为显著，但在整个轮作期间持续存在。相比之下，非豆科作物与对照无显著差异。氮回收被证明是这些差异的敏感指标，证实了豆科作物通过残体矿化供应氮的关键作用。豆科作物还通过增加硝酸盐有效性和促进轻度土壤酸化（可能与硝化作用增强有关）影响土壤性质。总体而言，研究结果凸显了覆盖作物种植中物种选择的重要性，豆科作物在提高后续作物生产力方面发挥着核心作用。

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一、研究背景与意义

农业集约化被广泛认为是全球生物多样性丧失、土壤退化和水体及大气污染的主要驱动因素之一。与此同时，在养活持续增长的人口的同时减少农业活动的环境足迹，构成了二十一世纪农业的核心挑战。应对这一双重挑战需要采用更可持续、资源效率更高的农业实践。其中，将覆盖作物纳入种植体系已被广泛提出作为减少养分损失、打破病虫害循环和提升土壤肥力的策略。历史上，休耕期被纳入作物轮作以缓解养分耗竭并维持土壤肥力，但用覆盖作物替代裸地休耕已被证明在改善土壤性质和减少环境外部性方面更为有效。

作物生产力面临的一个主要限制因素是氮（N）的有效性。通过哈伯–博斯（Haber–Bosch）法工业合成氮肥高度依赖能源和化石燃料。化肥成本上升以及氮损失对水生生态系统和大气的负面影响，促使人们对基于生物学的替代方案产生浓厚兴趣。在此背景下，豆科作物尤为重要，因为它们能够通过与根瘤菌的共生关系固定大气氮，从而减少或可能消除对矿质氮肥的需求。残体还田后，富含氮的豆科残体矿化可为后续作物提供大量氮，提高生产力并改善整体农业生态系统效率。

尽管覆盖作物的采用日益增长且相关科学文献不断扩展，但物种间的比较评估——特别是旨在优化其对后续经济作物影响的评估——仍然相对匮乏。虽然商业种子混合物常将豆科、禾本科和十字花科作物组合在一起，但在相同环境和管理条件下对物种进行直接实验比较的研究仍然稀缺，这限制了基于证据的物种选择和覆盖作物效益的农场层面优化。本研究正是针对这一空白，评估了五种具有绿肥潜力的豆科物种以及一种禾本科和一种十字花科物种的生物量生产，并在莴苣–莴苣–燕麦轮作中评估了覆盖作物的残留效应。

二、研究设计与主要技术方法

本研究在葡萄牙东北部布拉干萨（Bragan?a，41°47′50″ N，6°45′42″ W；海拔686 m）进行，涵盖四个种植周期，时间为2023年9月至2025年5月。该地区属地中海气候（柯本分类Csb），年均气温12.9 °C，年均降水量783.9 mm。试验采用完全随机设计，设八个处理和三次重复（三个盆），另设第四个盆以补偿实验室分析所移除的生物量。供试土壤采自休耕两年的农田耕层（0–0.20 m），过4 mm筛后风干，每盆装16 kg干土。土壤按世界土壤资源参比基础（WRB）分类为崩积起源的疏松岩性土（Regosol），质地为砂质黏壤土。

覆盖作物于2023年9月19日播种，2024年4月22日收获地上部生物量。鲜生物量切碎后混入土壤上层15 cm。随后进行两轮莴苣（Lactuca sativa L.，cv. Summer Wonder）种植，每盆移栽两株，分别于2024年5月4日移栽、6月24日收获（第一轮）和2024年9月13日移栽、11月15日收获（第二轮）。2024年11月18日播种燕麦（每盆2 g种子），2025年5月9日收获。试验期间对莴苣进行SPAD叶绿素仪和叶绿素a荧光（F_v/F_m）测定，采用阴离子交换膜（AEMs）原位监测土壤硝酸盐动态，土壤和植物样品分别采用Walkley–Black法、Egner–Riehm法、凯氏定氮法（Kjeldahl）及原子吸收分光光度法等进行分析。大气氮贡献率采用差值法估算。数据采用SPSS Statistics v.25进行单因素方差分析（ANOVA），Tukey HSD事后检验（α = 0.05）。

三、主要研究结果

3.1 覆盖作物表现

覆盖作物干物质产量（DMY）在物种间差异显著（p < 0.0001），豆科作物显著高于非豆科作物。白羽扇豆产量最高（152.9 g pot^?1），显著高于地三叶草（97.0 g pot^?1）。组织氮浓度和地上部总氮积累量在覆盖作物间差异显著，燕麦氮浓度最低，地三叶草在豆科中最高。豆科作物氮回收量显著高于非豆科作物，且估算的大气氮来源比例超过96%，折合超过230 kg ha^?1。磷（P）浓度在多数豆科作物中低于非豆科作物，但地三叶草与非豆科作物相当；豆科作物磷回收量仍因生物量优势而较高。钾（K）和钙（Ca）浓度在三叶草中较高，羽扇豆中K较低。微量元素方面，燕麦硼（B）浓度极低（0.9 mg kg^?1），三叶草和油菜较高；白羽扇豆锰（Mn）浓度高达其他物种的十倍；锌（Zn）和铜（Cu）在豆科中总体较高。

3.2 对后续经济作物的影响

莴苣–莴苣–燕麦三周期累计干物质产量在豆科覆盖作物处理后显著高于非豆科和对照处理，非豆科与对照无显著差异。第一轮莴苣中三叶草表现突出，累计产量中绛三叶草均值最高。SPAD值在第一轮两个采样时间点均以豆科处理显著较高，第二轮差异减弱但第二采样时恢复显著模式。F_v/F_m与SPAD趋势一致但敏感性较低。莴苣组织氮浓度在两个周期中均以豆科处理较高，对照、燕麦和油菜处理较低。硝酸盐含量模式与氮浓度一致。氮回收是区分覆盖作物效应最敏感的指标：对照、燕麦和油菜处理间无显著差异，所有豆科处理均显著更高，绛三叶草显著高于蚕豆。部分养分（如P和K）在豆科处理后的莴苣第一轮中浓度较高，反映了覆盖作物养分积累的传递效应。

3.3 土壤性质

阴离子交换膜提取的土壤硝酸盐浓度在第一轮莴苣两个采样时间点均以豆科处理（特别是羽扇豆）最高；第二轮仅第一采样时存在显著差异，对照、燕麦和油菜处理显著较低。土壤有机碳在各处理间无显著差异（均值14.30–16.57 g kg^?1）。土壤pH在豆科处理中显著较低，可能与硝化作用增强有关。有效磷、交换性盐基和阳离子交换量（CEC）在各处理间无显著差异。

四、讨论总结与研究结论

讨论部分指出，豆科作物与非豆科作物在生物量和氮积累上的巨大差异表明试验环境严重受氮限制，豆科作物通过共生固氮获得竞争优势。豆科组织中较低的P浓度归因于生物量稀释效应而非吸收受限。双子叶植物因细胞壁果胶含量高而积累更多B，单子叶植物则较低。覆盖作物对后续作物的促进作用源于豆科残体快速矿化释放氮，这种效应在第一轮最强但持续至第三轮。非豆科作物因未提供额外氮源而与对照无差异。氮回收整合了组织氮浓度和生物量，是评估氮供应的稳健指标。白羽扇豆虽大量积累Mn，但未导致后续莴苣Mn浓度升高，不构成使用障碍。

研究结论表明：豆科覆盖作物在生物量生产和氮积累方面优于非豆科物种，反映了其固定大气氮的能力；豆科覆盖作物在整个莴苣–莴苣–燕麦轮作中增强了后续经济作物的生长和氮状态，短期效应尤为显著且持续存在；非豆科作物对后续作物影响与对照无显著差异；覆盖作物物种在宏量和微量元素积累上存在差异，部分差异反映在后续莴苣的养分状态中；豆科作物提高了土壤硝酸盐有效性和氮回收，但也伴随轻度土壤酸化；与初始假设相反，非豆科作物并未贡献更高的土壤有机质水平。研究结果应在盆栽试验背景下解读，根系受限、有限的人工土壤体积和灌溉条件可能影响植物生长和土壤过程，限制了向田间条件的推广，需要进一步田间研究验证。