集约化种植系统导致土壤有机质（SOM）和养分有效性显著下降，威胁到农业生态系统的长期可持续性（Lal, 2004）。在作物轮作中引入草地阶段（称为草地-作物轮作）被认为是一种可持续的替代方案，因为它可以增强土壤碳封存、改善养分循环并支持生物多样性（Franzluebbers, 2012, Smith, 2016, IPCC, 2018）。尽管草地-作物轮作在改善土壤结构和微生物活性方面的益处已有充分记录，但其对土壤中磷（P）和钾（K）有效性的长期影响仍不够清楚，尤其是在低投入管理条件下。磷和钾是重要的大量元素，直接影响作物生产力、根系发育和植物恢复力。与可以通过生物固氮作用补充的氮（N）不同，磷和钾是非可再生的土壤资源，主要依赖于矿物风化、有机质周转以及通过植物残余物的循环（Oberson and Joner, 2005, Richardson et al., 2014）。当养分损失超过补充量时，土壤养分的逐渐耗竭最终可能危及这些农业生态系统的可持续性。
土壤中磷的有效性具有高度动态性，主要受土壤矿物、有机质和微生物活动的影响（Shen et al., 2011）。在草地系统中，磷通常以有机形式存在并强烈吸附在土壤颗粒上，从而降低了植物对其的即时吸收能力（Menezes-Blackburn et al., 2018）。虽然在草地阶段由于输出有限可能会暂时积累磷，但其在转化为耕地后释放到土壤溶液中的情况仍不确定，尤其是在较深的土层中。同样，草地-作物轮作中的钾动态也受到植物吸收、淋失和粘土矿物相互作用的影响（Spohn, 2020）。在许多土壤中，钾比磷更容易淋失，尤其是在降水量高或根系浅的情况下（Askegaard et al., 2003），尽管在吸附能力低的土壤中磷也可能发生淋失。
草地-作物轮作在维持养分有效性方面的作用与其对有机质积累和持久性的影响密切相关（Gilmullina et al., 2023）。草地阶段可以增加有机碳输入，改善土壤质量、水分和养分循环以及生物多样性（Franzluebbers et al., 2014, Rumpel and Crème, 2015, Smith et al., 2015）。同时，有机质的积累可能会暂时固定大量的磷和钾，从而可能减少后续作物的养分可用性（Van Groenigen et al., 2017）。如果没有针对性的磷和钾补充，连续的生物量输出可能会在维持有机质和养分耗竭之间造成权衡。
在温带地区，数十年的集约化施肥使用产生了大量的养分库，尤其是磷（MacDonald et al., 2011）。这一养分库支持了这样的假设：草地-作物轮作可以在减少施肥的情况下进行管理，因为中等稳定性的或残留的养分库可以随着时间的推移维持植物可利用的形式（Somavilla et al., 2022）。先前的研究表明，土壤中可利用的养分水平可以在数十年内保持在农艺阈值以上，尤其是磷（Tyson et al., 2020），并且即使在连续7–13年的养分移除情况下，生物量生产也可以得到维持（Mládková et al., 2015, Somavilla et al., 2022）。其他研究还表明，仅足够的氮输入就可以在草地阶段和随后的作物轮作期间维持土壤碳的增加（Crème et al., 2018）。然而，持续的生物量输出和淋失可能会逐渐减少土壤中可利用的磷和钾，而不平衡的施肥做法（如仅施用氮而不补充磷和钾）会加剧这种下降（Z?rb et al., 2014, Boitt et al., 2018, Cade-Menun, 2022, Ma et al., 2022）。迄今为止，草地-作物轮作系统中土壤养分有效性的长期动态变化仍研究不足，这限制了我们对管理引起的养分耗竭及其对有机质封存、作物生产力和及时实施缓解策略的潜在影响的理解。
为了解决这些不确定性，本研究调查了在一个不施用磷和钾的长期草地-作物轮作系统中，土壤中可利用磷和钾的13年动态变化。我们假设，在持续生物量输出的情况下，草地阶段不会阻止养分耗竭，但可以减轻可利用磷和钾的下降，并延缓达到农艺阈值所需的时间。通过结合多深度土壤分析（0–90厘米）、养分储量计算、生物量输出量化和淋失测量，我们评估了不同轮作制度和氮肥施用策略下的养分动态。具体来说，我们的目标是：（i）量化不同轮作制度下不同土层中可利用磷和钾浓度的变化，（ii）评估生物量输出和潜在淋失对养分耗竭的影响，（iii）确定土壤中磷和钾达到农艺阈值所需的时间。这些发现对于改进低投入系统的养分管理以及维持长期土壤肥力至关重要。
