《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Responses of Soil Microbial Communities and Labile C and N to Contrasting Organic Land-Use Systems
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再生实践（如轮牧和林牧复合系统）在有机畜牧业生产系统中日益重要，其饲草生产力和质量依赖于土壤健康和长期养分有效性。生物活性或活性土壤有机质（SOM）是植物和土壤食物网的关键养分库。然而，不同再生实践对有机系统中与活性SOM库相关的微生物群落和土壤健康指标的影响
再生实践（如轮牧和林牧复合系统）在有机畜牧业生产系统中日益重要，其饲草生产力和质量依赖于土壤健康和长期养分有效性。生物活性或活性土壤有机质（SOM）是植物和土壤食物网的关键养分库。然而，不同再生实践对有机系统中与活性SOM库相关的微生物群落和土壤健康指标的影响仍未得到充分探索。本研究在超过11年的有机管理后，对四种再生系统进行了田间研究：基于覆盖作物的年度种植系统、轮牧牧场、刈割牧场和以恢复原生草原作为参考（“土壤健康目标”）。分析了包括土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、高锰酸钾氧化碳（POXC）、潜在矿化氮（PMN）、磷脂脂肪酸（PLFA）图谱和酶活性在内的活性SOM指标。采用效应大小方法评估处理效应，并使用基于Bray-Curtis相异性的非度量多维尺度分析（NMDS）评估微生物群落结构。尽管未观察到统计学上的显著差异（p > 0.05），但效应大小分析揭示了有意义的模式。刈割牧场的SOC、PMN和TN水平接近恢复草原；放牧牧场的酶活性最低，而覆盖作物系统倾向于增加POXC。恢复草原支持了独特的细菌群落结构。11年的有机管理并未使各系统趋同于恢复草原条件，尽管刈割牧场表现出了有利的趋势。需要进一步的研究来阐明驱动刈割牧场中增强的SOC、PMN和TN的机制。
研究背景与问题提出
有机农业通过限制合成肥料和农药的使用，转而依赖作物多样化、覆盖作物以及动物粪便、绿肥和堆肥等有机改良剂来改善土壤健康。在中西部美国等全球重要谷物产区，多样化牧场和覆盖作物的应用正在增加。管理型放牧能够增强养分循环、生物多样性和对野火的恢复力，但不良实践可能导致土壤退化。覆盖作物（CC）被证实能改善有机质、养分保持、土壤结构、生物多样性、水分保持、杂草控制、生物量生产和侵蚀控制，然而重型机械交通和放牧造成的压实会影响水分渗透和生产率。历史上以高草草原为主的中西部地区，如今仅存原始面积的极小部分，草原重建已被证明能改善土壤结构、有机质、微生物活性和养分循环。可持续的刈割方法（如轮作刈割）有助于维持土壤结构和有机质，而结合林业和放牧的林牧复合系统则能进一步提高土壤效率和资源利用效率。尽管有机系统有望在集约化管理景观中增强生物多样性，但不同再生实践对微生物群落和与活性SOM库相关的土壤健康指标的差异化影响仍需深入探究。
研究目的与意义
本研究旨在评估长期（大于11年）有机管理的对比性土地利用系统，在美国密苏里州的土壤和气候条件下，对活性SOM库和微生物组成等土壤健康指标的影响，并以恢复原生草原作为参考（土壤健康目标）。研究人员假设，相对于机械收获干草的牧场，轮牧牧场和基于覆盖作物的年度种植系统将带来增强的微生物群落和更高的活性碳氮土壤健康指标，从而表现出更接近原生草原条件的趋同性，最终缩小土壤健康差距。该研究对于理解不同有机土地管理方式下的土壤健康演变具有重要意义。
主要技术方法
研究人员在密苏里州杰斐逊城的林肯大学有机研究农场开展了田间研究。该场地土壤系列为Gatewood系列，分类为极细、混合、活性、中温的氧化脆盘湿润软土（Oxyaquic Hapludalfs），质地为粉砂壤土。研究比较了四种管理系统（基于覆盖作物的年度种植系统、刈割牧场、轮牧牧场、林牧复合系统）与恢复原生草原参照系。在2021年秋季，对不同土地利用类型的11个田块进行了采样，每个田块采集四个地理定位土壤样本，采样深度为0至20厘米。土壤样品用于分析常规土壤肥力指标，包括通过烧失法（LOI）测定的土壤有机质（SOM）、pH值、潜在矿化氮（PMN）、阳离子交换量（CEC）以及磷、钙、镁和钾含量。此外，还测定了高锰酸钾氧化碳（POXC）以指示活性SOC。微生物群落分析通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析完成，提取酯化为脂肪酸甲酯并进行气相色谱分析，以量化真菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌等生物量。酶活性测定包括N-乙酰-β-d-葡萄糖苷酶（NAG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、酸性磷酸酶（AP）和芳基硫酸酯酶（AST），均通过比色法测定。数据分析采用RStudio软件，利用非度量多维尺度分析（NMDS）基于Bray-Curtis距离测量微生物特性与土地利用类型的关系，并通过效应大小图以95%置信限评估不同管理与恢复原生草原参照系的差异。
研究结果
关系与微生物群落结构
基于所有土地利用类型的组合数据集进行了皮尔逊相关性分析。SOC与POXC之间观察到不显著的正相关（r = 0.47）。本研究中评估的所有四种土壤酶均与POXC（r = 0.63至0.69）、SOC（r = 0.87至0.94）、TN（r = 0.94至0.98）、PMN（r = 0.95至0.98）和总PLFA（tPLFA）（r = 0.91至0.98）呈显著正相关。相反，研究人员观察到tPLFA与SOM-LOI（-0.789）和CEC（-0.904）之间存在负相关。NMDS分析显示出显著的区分度（压力值 = 0.006；RMSE = 0.181；R2 = 0.89）。结果表明，恢复原生草原系统与其他系统明显分离，反映了环境条件或微生物群落组成的差异。
土壤健康指标的效应大小
通过效应大小分析理解长期对比性有机管理情景下选定土壤健康指标的变化。SOC的效应大小显示，刈割牧场似乎比其他调查的土地利用类型更快地缩小了健康差距并接近目标（恢复原生草原）。覆盖作物作为土壤保护工具的年度系统在POXC方面表现出一致性，证明了其在缩小与恢复原生草原土壤健康差距方面的卓越能力。基于覆盖作物的年度系统和刈割牧场在PMN和TN结果方面似乎都在缩小土壤健康差距。就TN而言，除刈割牧场和基于覆盖作物的年度系统表现出缩小差距的趋势外，所有系统都远未缩小土壤健康差距。
酶活性指标
放牧牧场与刈割牧场相比显示出最低的酶活性。微生物群落组成的变化会显著影响土壤有机质分解和关键酶的活性。
讨论部分总结
相关性分析和NMDS分析揭示了活性SOM库土壤健康指标、微生物群落组成和有机管理实践之间的明确关系。SOC与本研究中测量的所有四种土壤酶活性均呈强正相关，强调了其支持土壤微生物功能的关键作用。虽然SOC与POXC之间的相关性似乎不显著，但POXC与酶活性呈显著正相关，这与早期研究一致，即POXC是对管理引起的SOM动态变化敏感的指标。尽管POXC和土壤酶活性通常被报道对有机改良剂敏感，但研究人员未观察到本研究中评估的任何管理系统之间存在统计学上的显著差异。这可能归因于仅在2015年单次适度施用有机改良剂（鸡粪或堆肥），导致短暂的底物增加随时间减弱。此外，在以高羊茅为主的牧场中维持暖季一年生植物也面临挑战，这可能导致POXC和土壤酶活性缺乏显著差异。tPLFA与SOM-LOI呈负相关，这可能是因为原生草原土壤将大部分碳储存在受保护的、矿物结合或物理封闭的稳定SOM库中，提高了总SOM但不一定转化为更高的微生物生物量。NMDS排序显示不同土地利用类型的微生物群落存在明显聚类，恢复原生草原与其他系统明显分离，这可能反映了其独特的环境条件和最小干扰，支持了多样化和稳定的微生物群落。
结论翻译
尽管研究人员发现所调查的大多数土壤健康指标和微生物参数的土地利用类型之间几乎没有统计学上的显著差异，但整个数据集中出现了一些一致的趋势，为不同土地利用类型和有机管理实践下的土壤生物响应提供了宝贵的见解。例如，与其他评估系统（包括放牧牧场）相比，刈割牧场表现出定向更高的微生物活性、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和潜在矿化氮（PMN）。此外，土壤酶活性与土壤有机质（SOM）循环相关的生物指标呈正相关，尽管本研究未直接测量直接的SOM分解速率。研究人员谨慎地将这些模式解释为初步信号，或许说明了接收不频繁有机改良剂以更新土壤肥力的低生产力高羊茅主导牧场的放牧如何导致SOM输入和整体土壤健康的减少，并可能降低饲草生产力。值得注意的是，在刈割牧场中观察到的高酶活性和其他土壤健康指标（SOC、TN和PMN）出乎意料。这些增加的潜在机制仍不清楚，需要进一步有针对性的研究来确定观察到的早期趋势是否反映了管理引起的效应，并阐明这些实践如何影响土壤细菌群落结构。总的来说，基于上述趋势，刈割牧场似乎更接近恢复原生草原系统中观察到的生物功能和土壤健康目标。
