作物轮作组合影响巴西南部长期有机免耕蔬菜系统中的土壤酶活性、肥力和洋葱产量

《Organic Agriculture》：Crop succession combinations influence soil enzyme activity, fertility, and onion yield in a long-term organic no-tillage vegetable system in southern Brazil

　　

在洋葱种植中，常规耕作会破坏土壤的物理、化学和生物性质。为此，免耕蔬菜系统（NTVS）日益被认为是洋葱种植的高效保护性耕作系统。为确定不同的作物轮作组合如何优化土壤功能，本研究评估了一项长期有机NTVS试验，该试验包含八种处理，涉及冬季（黑麦、油籽萝卜或休耕）和夏季作物（黧豆、大豆、谷子、菜豆或玉米）轮作组合用于洋葱生产。研究人员评估了覆盖作物残茬、洋葱产量、土壤肥力和酶活性（FDA水解、芳基硫酸酯酶和β-葡萄糖苷酶）。结果表明，有机NTVS改善了土壤肥力，与先前评估相比，有机质在0–10 cm土层增加了38%，在10–20 cm土层增加了13%。黑麦参与的轮作使残茬产量最大化，而冬季黑麦与夏季豆科作物（黧豆、大豆）的组合使洋葱产量最大化（高达34.7 Mg·ha^-1）。酶活性受作物发育阶段和轮作组合影响；FDA水解在洋葱鳞茎膨大期达到峰值361 μg荧光素·g^-1·h^-1，而芳基硫酸酯酶在所有处理中持续超过114 μg对硝基苯酚·g^-1·h^-1。主成分分析证实，酶活性由作物轮作组合调控，而非肥力属性。总之，在长期有机NTVS中，将冬季禾本科或十字花科作物与夏季豆科作物结合，可优化土壤酶活性、肥力属性和洋葱产量。

**研究背景、问题与目的**
洋葱（*Allium cepa* L.）是巴西经济价值和产量第三高的蔬菜，仅次于马铃薯和番茄，主要产自圣卡塔琳娜州，该地区坡地多、土壤易侵蚀。传统耕作（翻耕至20 cm并用圆盘耙整地）及大量施用化肥农药导致土壤物理、化学和生物属性退化。为缓解负面影响，免耕蔬菜系统（NTVS）自20世纪90年代在圣卡塔琳娜引入，其原则包括限制土壤翻转、分次施肥以及通过轮作或轮换保持永久覆盖。覆盖作物（如黑麦、油籽萝卜、黧豆、谷子）在播种前用辊压器机械终止，秸秆留于地表，仅在种植行用圆盘开沟器开窄沟。有机NTVS中，洋葱产量可达36 Mg·ha^-1，依赖于覆盖作物改善土壤结构、增加有机质、优化养分循环和提高生物活性。然而，不同作物轮作组合对土壤酶活性（作为管理变化的敏感指标）和肥力的具体影响尚不明确。本研究提出三个假设：(i) 高生物量覆盖作物的轮作相比冬季休耕能提升土壤酶活性和洋葱产量；(ii) 土壤肥力变化与轮作引起的酶活性变化紧密相关；(iii) 酶活性随季节和洋葱发育阶段波动，但特定轮作调节这种时间变异的幅度。研究旨在评估长期有机NTVS中不同轮作组合对土壤肥力属性和酶活性的影响。

**研究内容与结论**
研究人员在圣卡塔琳娜农业研究与推广公司（Epagri）伊图波兰加实验站（27o24′52″S, 49o36′9″W，海拔475 m）开展了一项长期有机NTVS试验。该地气候为湿润亚热带（Cfa），年均温17.6 °C，年降水1400 mm。土壤为Humic Dystrudept（美国土壤分类）。该地块自1996年前种植洋葱20年，1996年改为少耕并轮作覆盖作物（黑麦、黧豆、谷子、菽麻、野豌豆），2008年种植甘薯，2009年建立当前有机NTVS试验。采用随机完全区组设计，4个重复，小区25 m²。设置8个处理（表1），包括冬季覆盖作物（黑麦、油籽萝卜、黑麦+油籽萝卜混播、休耕）与夏季作物（黧豆、大豆、谷子、菜豆、玉米）的轮作组合。2009–2018年所有处理夏季均为黧豆，仅冬季变化；2019年起部分处理夏季引入具有商业价值的作物或不同生物量结构作物。管理遵循有机标准：秋季（4月）条播冬季覆盖作物（黑麦120 kg·ha^-1、油籽萝卜20 kg·ha^-1、混播60+10 kg·ha^-1），7月开花期用辊压器终止；开沟后手工移栽洋葱幼苗（Empasc 352-Bola precoce，行距0.40 m、株距0.10 m）；有机肥施禽粪6 Mg·ha^-1（移栽前和45天后分两次）；夏季作物在洋葱鳞茎膨大期至收获期间手工条播，籽粒收获后秸秆用辊压器铺于地表。土壤采样：酶活性在冬季覆盖作物开花期（2022和2023年7月）、洋葱鳞茎膨大期（2022和2023年10月）、洋葱收获期（2022和2023年11月）及夏季籽粒灌浆期（2023年3月）采集0–10 cm层；β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶在夏季（2022、2023、2024年3月）和冬季（2022、2023年7月）峰值期评估。土壤肥力属性在收获后（2021和2022年11月）采集0–10 cm和10–20 cm层。覆盖作物残茬量在2022和2023年冬季覆盖作物开花期用0.25 m²样方测定。洋葱总产量和商品产量（横径>35 mm）在2022和2023年11月收获测定。统计分析采用联合方差分析或因子方差分析，均值比较用Scott-Knott检验（p<0.05），主成分分析（PCA）用“vegan”包。

**研究结果**
**覆盖作物残茬**：残茬量在4.9–13.1 Mg·ha^-1之间。2022年Bo/Oni/So（黑麦-洋葱-大豆）最高，Or/Oni/Vb（油籽萝卜-洋葱-黧豆）最低（相差51%）。2023年Bo/Oni/Vb（黑麦-洋葱-黧豆）最高，Fa/Oni/Vb（休耕-洋葱-黧豆）最低（相差63%）。冬季单种黑麦的处理（Bo/Oni/Vb、Bo/Oni/So）在2022年残茬量比单种油籽萝卜的处理高出82%。Or/Oni/Mi（油籽萝卜-洋葱-谷子）在2023年显著增加，进入高值组。

**肥力属性**：0–10 cm层无处理×年份交互作用。Or/Oni/Mi和Fa/Oni/Ma（休耕-洋葱-玉米）的土壤pH最高；Bo/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb（黑麦+油籽萝卜-洋葱-黧豆）、Fa/Oni/Vb和Fa/Oni/Ma的钾（K）含量最高。2021至2022年表层pH整体上升，K下降；其他属性（P、Ca²⁺、Mg²⁺、阳离子交换量、盐基饱和度、有机质）无显著差异。10–20 cm层，Fa/Oni/Ma pH最高；2022年pH、有效P、盐基饱和度和有机质均值高于2021年。K、Ca²⁺、Mg²⁺、阳离子交换量存在交互作用：2021年Bo+Or/Oni/Vb、Fa/Oni/Vb和Fa/Oni/Ma的K最高；2022年Bo/Oni/Vb和Fa/Oni/Vb的K最高（因Bo/Oni/Vb显著增加）。Bo/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Cb（黑麦+油籽萝卜-洋葱-菜豆）和Fa/Oni/Ma在2022年Ca²⁺、Mg²⁺和阳离子交换量高于2021年，且2022年三者Mg²⁺最高。

**FDA水解活性**：范围65.7–361.5 μg荧光素·g^-1·h^-1。夏季含黧豆的处理（Bo/Oni/Vb、Or/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb、Fa/Oni/Vb）稳定性更高，平均活性较高（Fa/Oni/Vb变异24.5%，平均178.30 μg荧光素·g^-1·h^-1）。2022年洋葱鳞茎膨大期整体FDA平均达峰值（294.8 μg荧光素·g^-1·h^-1），比其他时期高71%，且冬季休耕处理（Fa/Oni/Vb、Fa/Oni/Ma）平均较低。2023年鳞茎膨大期，多数含豆科夏季作物的处理（Bo/Oni/Vb、Or/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb、Fa/Oni/Vb、Bo/Oni/So）FDA活性最高。

**芳基硫酸酯酶活性**：范围114.3–714.8 μg对硝基苯酚·g^-1·h^-1。夏季评估中，2022年Bo+Or/Oni/Vb活性最高；2023年Bo/Oni/Vb和Or/Oni/Vb最高；2024年Bo/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb、Fa/Oni/Vb和Fa/Oni/Ma较高。冬季覆盖作物开花期，冬季休耕或2019年改变组合的处理（Bo/Oni/So、Or/Oni/Mi、Bo+Or/Oni/Cb、Fa/Oni/Ma）常表现较低。2022年冬季，Bo/Oni/Vb和Or/Oni/Vb最高；2023年冬季，Bo+Or/Oni/Cb和Fa/Oni/Ma最低。

**β-葡萄糖苷酶活性**：范围148.7–469.9 μg对硝基苯酚·g^-1·h^-1。夏季评估中，2022年无差异；2023年Bo/Oni/Vb、Or/Oni/Vb和Or/Oni/Mi较高；2024年Bo/Oni/Vb及所有含谷类夏季作物的处理（Bo/Oni/So、Or/Oni/Mi、Bo+Or/Oni/Cb、Fa/Oni/Ma）最高。冬季覆盖作物开花期，Bo/Oni/Vb始终最高（2022年达469.9 μg对硝基苯酚·g^-1·h^-1），2023年同样突出；Or/Oni/Vb次之，其余处理最低。

**主成分分析（PCA）**：2022年数据前两个主成分解释69.6%方差。冬季覆盖作物后接黧豆的处理（Bo/Oni/Vb、Or/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb）聚集在PC1正轴，与酶活性高度相关；冬季休耕和2019年改变夏季作物的处理（Fa/Oni/Vb、Bo/Oni/So、Or/Oni/Mi、Bo+Or/Oni/Cb、Fa/Oni/Ma）聚集在负轴，与肥力属性（K、P等）更相关。2023年数据解释70.3%方差：夏季含黧豆的处理（Bo/Oni/Vb、Or/Oni/Vb、Bo+Or/Oni/Vb、Fa/Oni/Vb）与冬季芳基硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶及多时期FDA活性及K含量强相关；改变夏季作物的处理（Or/Oni/Mi、Bo+Or/Oni/Cb、Fa/Oni/Ma）与肥力属性（pH、P、盐基饱和度）关联；Bo/Oni/So位于左下象限，表现独特。

**洋葱产量**：总产量和商品产量无处理×年份交互，但2022年显著高于2023年（总产量34.7 vs 21.6 Mg·ha^-1，商品产量33.5 vs 19.6 Mg·ha^-1）。总产量方面，Bo/Oni/So、Bo+Or/Oni/Vb、Bo/Oni/Vb和Or/Oni/Vb最高（两年均值29.9–31.8 Mg·ha^-1），高于中间组（Fa/Oni/Vb、Or/Oni/Mi、Bo+Or/Oni/Cb）。商品产量方面，差异不显著，Fa/Oni/Ma始终最低（总产18.9、商品17.7 Mg·ha^-1）。

**讨论与结论**
讨论指出：黑麦高生物量和C:N比导致残茬量大且分解慢，油籽萝卜分解快；长期有机NTVS使0–10 cm有机质较前八年增加38%，10–20 cm增加13%；钾的动态受轮作和产量影响，黑麦促进钾循环，休耕杂草也能维持钾；黑麦促进钙镁向下移动，休耕处理pH较高影响钙镁保留。FDA活性在鳞茎膨大期达峰值，夏季豆科作物（黧豆、大豆）的根系分泌物刺激微生物；芳基硫酸酯酶受油籽萝卜（含硫化合物）和豆科秸秆（富氮）刺激，所有处理均超过参考阈值（71 μg对硝基苯酚·g^-1·h^-1）；β-葡萄糖苷酶受黑麦纤维残渣（纤维素基质）和黧豆易降解碳水化合物的持续输入调控。PCA表明酶活性主要受轮作组合调控而非肥力属性。洋葱产量在2023年因极端降雨（11月467.4 mm）下降，但轮作组合中黑麦与夏季豆科组合产量最高，而玉米秸秆高C:N比导致养分固定降低产量。

**结论翻译**：本研究评估了长期有机免耕蔬菜系统（NTVS）中不同作物轮作组合对覆盖作物残茬、洋葱产量、土壤肥力属性和土壤酶活性的影响。结果表明，长期有机NTVS总体上维持或改善了土壤肥力属性，但不同轮作组合驱动了特异性响应。冬季含黑麦的轮作最大化残茬产量及钾、钙、镁的循环；夏季豆科作物（黧豆和大豆）的加入对最大化洋葱产量和刺激整体酶活性（FDA）至关重要。特定冬季覆盖作物也调节酶活性：油籽萝卜增强芳基硫酸酯酶活性，黑麦纤维残渣刺激β-葡萄糖苷酶。相反，冬季休耕和夏季玉米的组合限制了土壤酶活性的稳定性和洋葱产量。多变量分析（PCA）证实，在此长期有机免耕蔬菜系统中，土壤酶活性主要由不同的作物轮作组合调控，而非肥力属性。因此，冬季禾本科或十字花科作物与夏季豆科作物的组合优化了长期有机NTVS中的土壤酶活性、肥力属性和洋葱生产力。