多样化作物轮作提升土壤碳氮储量但不增加矿质氮

《Agronomy Journal》：Diversified crop rotations enhance soil carbon and nitrogen stocks, but not mineral nitrogen

　　

长期多样化作物轮作对土壤C和N的影响因归还土壤的作物残茬数量和类型的变化而需要进一步探究。研究人员于2012年至2021年在美国北部大平原研究了作物轮作对0–120 cm深度作物残茬C和N以及土壤全C（STC）、土壤有机C（SOC）、土壤无机C（SIC）、土壤全N（STN）、NH₄-N和NO₃-N含量的影响。作物轮作包括大麦（Hordeum vulgare L.，B）、豌豆（Pisum sativum L.，P）、亚麻荠（Camelina sativa L.，[Crantz]，C）、油菜（Brassica napus L.，N）以及春小麦和冬小麦（Triticum aestivum L.，分别为S和W）的1至4年轮作。PBNS、PWCS和PWNS的作物残茬产量和C比B、BP、W和WP高8%–27%，SP的残茬N比B、BP、S和W高19%–101%。PBCS和S在0–120 cm的STC和SOC比PBNS、B和BP高7%–45%。B在30–60和0–120 cm的SIC比PBCS、PWNS和SP高14%–17%。PWCS和WP在15–30 cm的STN比其他作物轮作高28%–48%。W在0–120 cm的土壤NO₃-N含量高于其他作物轮作。由于单作对作物产量的负面影响，可采用多样化作物轮作来增强土壤C和N储量，但不能增强矿质N。

**研究背景与意义**

干旱和半干旱地区由于降水有限和生长季较短，作物收获后归还土壤的残茬量较低，导致土壤C和N储量积累缓慢。旱地土壤覆盖约47%的地球表面积，在全球C和N循环中具有重要作用。以作物–休耕为主的旱地种植制度因休耕期无作物生长导致残茬归还量减少，可能降低土壤C和N储量。多样化作物轮作通过包含豆科、非豆科和油料作物，可提高残茬归还的质量和数量，从而增强土壤C和N储量及矿质N。然而，关于作物轮作对土壤C和N储量的影响，已有研究结果并不一致：部分研究表明豆科–非豆科轮作增加了SOC和STN，而另一些研究则显示连续非豆科种植增加了SOC和STN。此外，SOC和STN受作物轮作的影响还可能因研究持续时间而异。虽然SOC通常被用于衡量农田土壤C储量，但研究人员同时研究了STC和SIC，因为在干旱和半干旱地区的旱地种植制度下SIC是土壤C固存的重要组成部分，且STC与土壤性质和作物产量的关系比SOC更密切。测定STC比SOC具有优势，因为STC只需一步测定，而SOC需要两步（STC和SIC），从而节省时间和成本。作物轮作对土壤矿质N（NH₄-N和NO₃-N）也有不同影响。豆科作物的生物固N可降低后续作物的N肥用量，有助于降低豆科轮作体系的土壤矿质N；而连续非豆科单作每年持续施N且作物对施用N的利用效率降低，增加了土壤矿质N。由于作物轮作对土壤C和N的影响存在变异性，需要更多关于长期多样化作物轮作在干旱和半干旱地区旱地种植制度下对作物残茬产量、残茬来源C和N输入以及土壤C和N储量影响的信息。研究人员的假设为：（1）高度多样化作物轮作比多样化程度较低的轮作和单作增加作物残茬产量及C和N供应；（2）增加的残茬C和N输入将提高STC、SOC和STN储量，但降低高度多样化作物轮作下的土壤NH₄-N和NO₃-N含量。研究目标为：（1）考察作物轮作对作物残茬产量及C和N输入的影响；（2）确定2012年至2021年美国北部大平原旱地种植制度下作物轮作对0–120 cm深度STC、SIC、SOC和STN储量及NH₄-N和NO₃-N含量的影响。

**关键技术方法**

研究于2012–2021年在美国蒙大拿州Sidney附近（47°46′N，104°15′W）的旱地农田进行，该站点30年平均气温7.0°C，年均降水量332 mm。土壤为Williams壤土（细壤质、混合、超活性、冷冻、典型Argialbolls），0–20 cm深度含砂350 g kg^?1、粉砂325 g kg^?1、黏粒325 g kg^?1、有机质13.2 g kg^?1、pH 7.2。试验前该站点已种植春小麦–休耕和春小麦–红花–休耕10年。处理包括10种作物轮作：连续大麦（B）、大麦–豌豆（BP）、豌豆–大麦–亚麻荠–春小麦（PBCS）、豌豆–大麦–油菜–春小麦（PBNS）、豌豆–冬小麦–亚麻荠–春小麦（PWCS）、豌豆–冬小麦–油菜–春小麦（PWNS）、连续春小麦（S）、春小麦–豌豆（SP）、连续冬小麦（W）和冬小麦–豌豆（WP）。高度多样化轮作为PBCS、PBNS、PWCS和PWNS；多样化程度较低的轮作为BP、SP和WP；单作为B、S和W。试验采用随机区组设计，4次重复，小区面积12.2 m×12.2 m。所有作物均在免耕条件下种植。作物收获前2天从每小区产量行外随机取4行1 m长植株，分离秸秆和籽粒，秸秆在70°C下烘干3天确定残茬产量，研磨后使用C和N分析仪（Elementar）测定C和N浓度。土壤样品于2012年、2016年和2021年10月使用安装在卡车上的液压土钻（内径3.5 cm）从每小区中央行4个随机位置采集0–120 cm深度土芯，分为0–15、15–30、30–60、60–90和90–120 cm层次。STC和STN浓度使用C和N分析仪测定，SIC浓度使用钙量计（Lita Analytical）测定，NH₄-N和NO₃-N浓度使用2 mol L^?1 KCl提取1小时后用自动分析仪（Agilent Technologies）测定。由于研究在免耕条件下进行，土壤未受扰动，土壤C和N储量未进行等效土壤质量校正。数据使用SAS-MIXED程序分析，作物轮作作为固定效应，年份作为重复测量变量，重复作为随机效应，采用一阶自回归协方差结构。

**研究结果**

**作物残茬产量及碳氮含量**：作物残茬产量受作物轮作、年份及作物轮作×年份互作的显著影响。2013年和2016年PBNS、PWCS和PWNS的残茬量比B和S高28%–109%。多年平均而言，PBNS、PWCS和PWNS的残茬量比其他轮作高5%–26%。残茬C受作物轮作、年份及互作显著影响，多年平均PBNS、PWCS和PWNS的残茬C比B、BP、W和WP高9%–27%。残茬N和残茬C/N比受作物轮作和年份显著影响，但互作不显著。多年平均SP的残茬N比B、BP、S和W高19%–40%，B的残茬C/N比比其他轮作高27%–58%。

**土壤容重**：土壤容重除15–30 cm外，在所有深度受年份显著影响，但作物轮作及互作在任何深度均不显著。所有深度容重随年份呈增加趋势，可能由于持续采用免耕制度，但仅在30–60 cm深度增加显著（p = 0.08），容重年增加量为0.003 Mg m^?3 year^?1。

**土壤全碳**：STC在0–15和0–120 cm受作物轮作显著影响，除30–60和60–90 cm外所有深度受年份显著影响，互作不显著。多年平均0–15 cm STC以S比B、SP和WP高11%–13%；0–120 cm STC以S比BP、PBNS和SP高7%–9%。STC在所有深度随年份呈增加趋势，但线性回归不显著。STC与残茬产量、C和N含量及C/N比在任何深度均无显著相关性。

**土壤无机碳**：SIC在30–60、60–90、90–120和0–120 cm受作物轮作显著影响，但年份及互作在任何深度均不显著。多年平均30–60 cm SIC以B比BP、PBCS、PWCS、PWNS、SP和WP高15%–20%；60–90 cm SIC以BP和S比其他轮作高6%–24%；90–120 cm SIC以BP比除B、S和WP外的其他轮作高16%–34%；0–120 cm SIC以B和S比PBCS、PWNS、SP和W高11%–20%。15–30 cm SIC与残茬C、N和C/N比呈负相关。

**土壤有机碳**：SOC除0–15 cm外所有深度受作物轮作显著影响，0–15和15–30 cm受年份显著影响，互作不显著。多年平均15–30和30–60 cm SOC以PBCS和PWCS比B和BP高26%–46%；60–90 cm SOC以W比B、BP、PBNS、PWNS和S高21%–46%；90–120 cm SOC以PBCS和W比B、BP、PBNS和S高13%–50%；0–120 cm SOC以PBCS和W比B、BP、PBNS和S高12%–39%。SOC除60–90 cm呈下降趋势外，所有深度随年份呈增加趋势。15–30 cm SOC与残茬产量、C和N含量及C/N比呈强正相关。

**土壤全氮**：STN在15–30和60–90 cm受作物轮作显著影响，0–15和15–30 cm受年份显著影响，互作不显著。多年平均15–30 cm STN以PWCS比B高28%；60–90 cm STN以WP比除PWCS和W外的其他轮作高32%–48%。STN在所有深度随年份呈增加趋势，但仅在60–90 cm回归显著，年增加量为0.005 Mg N ha^?1 year^?1。15–30 cm STN与残茬N呈正相关。

**土壤铵态氮**：NH₄-N含量在0–15、15–30、30–60和0–120 cm受年份显著影响，但作物轮作及互作在任何深度均不显著。多年平均而言，NH₄-N含量在0–15、15–30、30–60和0–120 cm从2012年到2016年保持相似，但从2016年到2021年增加。0–15 cm NH₄-N与残茬N呈正相关，与残茬C/N比呈负相关；30–60 cm NH₄-N与残茬C呈正相关。

**土壤硝态氮**：NO₃-N含量在所有深度受作物轮作显著影响，在0–15、15–30、60–90和90–120 cm受年份显著影响，15–30、30–60和0–120 cm互作显著。2012年15–30 cm NO₃-N以W比B、BP和PBCS高157%–261%；2021年以W比其他轮作高237%–257%。2012和2016年30–60 cm NO₃-N以W比B高113%–269%；2021年以W比其他轮作高128%–966%。2012年0–120 cm NO₃-N以W和WP比B和BP高98%–154%；2021年以W比其他轮作高65%–662%。多年平均所有深度NO₃-N以W比除PWCS、S和WP外的其他轮作高61%–620%。所有深度NO₃-N含量从2012年到2016年下降，然后在2021年增加。NO₃-N与残茬产量、C和N含量及C/N比在任何深度均无显著相关性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，多样化作物轮作在生长季降水接近或高于30年平均值的年份（2013、2016和2019年）残茬产量较高，可能由于土壤水分和N的高效利用及杂草和病虫害压力降低提高了作物产量。在生长季降水低于正常水平的年份（2014、2015、2018、2020和2021年），抗旱性差异可能使多样化程度较低的轮作或连续单作的残茬产量较高。豌豆残茬因生物固N具有较高的组织N浓度，增加了SP及其他含豌豆轮作的残茬N。B的残茬C/N比较高源于残茬C相对于N较大。S在0–15 cm STC较高而残茬产量、C含量和C/N比与其它轮作相似或更低，其原因尚不明确，但根系和根际沉积物增加的C输入可能促进了STC的积累。B、BP和S在30 cm以下SIC较高可能源于根系生长增强促进CO₂在土壤溶液中积累，导致碳酸根和碳酸氢根离子在地下土层沉淀。每年持续施用N肥也可能增加了B和S 30 cm以下的SIC。15–30 cm SIC与残茬C、N和C/N比的负相关表明，大量残茬添加产生的有机酸可能降低了该层次的SIC。PBCS、PWCS和W在15–120 cm SOC的增加大于STC，因为这些轮作具有较高的残茬产量、C和N含量及C/N比，且15–30 cm SOC与残茬产量、C和N含量及C/N比呈强正相关。作物轮作对0–15 cm STC显著但SOC不显著，可能是由于某些轮作表层存在少量SIC。持续非豆科种植具有较高残茬产量和/或较高残茬C/N比以及包含豆科、非豆科和油料作物的轮作可促进土壤C固存。由于连续非豆科单作因杂草和病虫害发生率较高导致作物产量降低，尽管能维持土壤C储量，但应避免采用。SOC可能是比STC和SIC更可靠的C固存指标，因为SOC在更多土层受作物轮作影响，且与残茬产量、C含量和C/N比的相关性强于STC。PWCS在15–30 cm STN高于B、WP在60–90 cm STN高于其他轮作（除PWCS和W外），可能与较大的残茬产量和残茬N输入有关，且15–30 cm STN与残茬N显著相关。NH₄-N含量从2012年到2016年不变，但从2016年到2021年增加，可能由于豌豆残茬N贡献和作物施N。NO₃-N从2012年到2016年下降可能由于作物N吸收增加，而从2016年到2021年增加可能由于豌豆残茬和N肥的持续N贡献以及2017、2020和2021年生长季降水较低导致作物N吸收减少。W在15–30、30–60和0–120 cm NO₃-N高于其他轮作，可能由于冬小麦生长不良导致N吸收减少，严重病虫害降低了冬小麦生长和产量。较高的残留土壤NO₃-N含量通过增加土壤酸化、N淋溶和N₂O排放对土壤健康和环境质量产生负面影响。研究结论指出：多样化作物轮作产生较大的残茬产量和C、N含量，但多样化程度较低的轮作和连续非豆科单作的残茬C/N比较高。归还更多残茬及C、N输入的轮作增加了STC、SOC和STN储量，但因生长不良（可能源于严重杂草和病虫害）导致N吸收减少，使连续冬小麦的土壤NO₃-N含量高于其他轮作。15–30 cm SOC与残茬产量、C和N含量及C/N比强相关。作物轮作对SIC影响可变。尽管连续非豆科单作（除冬小麦外）维持了土壤C和N储量，但因严重杂草和病虫害导致作物产量降低，应避免该种植制度。因此，可采用多样化作物轮作增强美国北部大平原旱地种植制度的土壤C和N储量，但不能增强土壤矿质N。利用多样化作物轮作增加土壤C和N储量可通过改善土壤物理、化学和生物学性质增强土壤健康，并通过减少CO₂排放改善环境质量。同样，降低土壤NH₄-N和NO₃-N含量可通过减少NH₃挥发、N淋溶和N₂O排放改善环境健康。SOC可能是比STC更可靠的土壤C固存测定指标。