覆盖作物放牧改善有机蔬菜系统土壤氮动态且对土壤健康影响极小

《Frontiers in Soil Science》：Grazing of cover crops improves soil nitrogen dynamics in organic vegetable systems with minimal soil health tradeoffs

　　

放牧覆盖作物重新耦合了作物和畜牧生产，具有增强土壤养分循环过程的潜力。然而，关于短期氮释放动态和土壤健康结果方面的关键知识空白目前限制了综合作物-畜牧系统在有机蔬菜生产中的应用。本研究的目标是表征在有机蔬菜生产中整合绵羊放牧覆盖作物对土壤生态系统过程、氮循环以及微生物群落潜在变化的益处和权衡。研究人员开展了一项为期4年的蔬菜轮作重复试验，设置了三个处理：冬季休耕、未放牧覆盖作物和放牧覆盖作物。研究人员发现，放牧覆盖作物并未显著影响土壤物理特性（如压实度）。尽管有机碳库保持不变，但放牧在作物生产的关键时刻增加了溶解有机、无机和微生物库中的土壤氮，超过了未放牧覆盖作物下的水平。在0–15 cm深度，这些增加分别为22%、36%和21%；在15–30 cm深度，分别为44%、100%和22%。尽管在作物生长季节无机氮库较大，但放牧并未导致潜在可淋溶硝酸盐的增加。与休耕相比，覆盖作物（无论是放牧还是未放牧）降低了土壤pH值。土壤微生物对与放牧相关的资源变化迅速响应，与未整合畜牧相比，相对细菌丰度增加，尤其是革兰氏阳性菌（Gram (+)）（+34%），真菌:细菌比率下降（?64%）。在4年冬季放牧后，颗粒有机质组分中的碳（POM-C）有减少趋势，凸显了进行长期评估的必要性。这项研究表明，当放牧实施遵循最佳管理实践时，有机农民可以利用放牧策略性地改善蔬菜作物的氮释放时机，且在物理性质方面的权衡极小。

在当前的食品系统中，作物和畜牧生产的大规模专业化导致两者分离，养分循环在时空尺度上脱节。有机蔬菜产业面临生育管理和杂草控制等关键挑战，而放牧覆盖作物通过重新连接作物和畜牧生产，有望增强土壤养分循环，但有关短期氮释放动态和土壤健康效应的知识空白限制了综合作物-畜牧系统（ICLS）的应用。为此，研究人员在加州大学戴维斯分校的Russell Ranch可持续农业设施（美国北加州）开展了一项为期4年的田间试验，旨在阐明在有机蔬菜系统中采用绵羊冬季放牧覆盖作物如何改变氮循环指标、氮有效性、微生物群落及关键土壤健康指标。该研究采用随机完全区组设计，设置三个处理：冬季休耕、未放牧覆盖作物和放牧覆盖作物，每个处理4个重复。试验地点为地中海气候，土壤类型为Yolo粉砂壤土和Rincon粉砂质黏壤土，质地为黏土（27%砂、32%粉砂、41%黏土）。研究方法主要涉及以下关键技术：1）土壤物理性质测定：包括容重（slide hammer法）和湿团聚体稳定性（自动筛分仪结合降雨模拟器）；2）土壤化学性质分析：pH（1:1水提法）、电导率（EC）及养分（Olsen-P、乙酸铵提取K、Ca、Mg、Na等，ICP-OES测定）；3）土壤无机氮库：2 M KCl提取后测定铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^?），并通过厌氧培养法测定潜在可矿化氮（PMN）；4）硝酸盐淋溶评估：采用阴离子交换树脂“圆片”置于65 cm深度收集11个月（2019年10月至2020年9月），计算潜在可淋溶硝酸盐（PLN）；5）土壤有机碳氮库：氯仿熏蒸提取法测定溶解有机碳（DOC）和溶解有机氮（DON）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）；6）土壤有机质组分分离：通过分散和粒径分级（湿筛）获得颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM），测定其碳氮含量；7）微生物群落表征：磷脂脂肪酸（PLFA）分析，鉴定革兰氏阳性菌（Gram (+)）、革兰氏阴性菌（Gram (?)）、丛枝菌根真菌、腐生真菌和放线菌等。统计分析采用线性混合效应模型（R包nlme），以处理为固定效应，地块和区组为随机效应，并通过Tukey检验进行多重比较。

研究结果如下：
3.1 土壤化学和物理性质：实施3年后，土壤物理特性（容重、团聚体平均重量直径MWD）在各处理间无显著差异。化学性质方面，放牧和未放牧覆盖作物均降低了土壤pH，而电导率（EC）仅在第二年有轻微差异，其余指标（CEC、P、K、Na、Ca、Mg）无显著变化。
3.2 土壤氮动态与有效性：放牧显著改变了土壤无机氮（SIN）库。在第二年，覆盖作物生长期间SIN降低；覆盖作物翻压后，放牧和未放牧覆盖作物处理在0–15 cm深度的SIN高于休耕（+19 mg N kg^?1干土）。未放牧覆盖作物在0–15 cm深度具有更高的潜在可矿化氮（PMN）。在作物养分吸收高峰期，放牧覆盖作物在0–15和15–30 cm深度的SIN显著高于休耕，且未导致潜在可淋溶硝酸盐（PLN）的显著增加。第三年，放牧覆盖作物在养分吸收峰值时SIN比休耕高4倍（0–15 cm），且溶解有机氮（DON）浓度约为休耕的2倍。
3.3 溶解有机库与微生物生物量：溶解有机碳（DOC）未受处理影响。在第二年，放牧覆盖作物在作物移植期显著增加了15–30 cm深度的DON。第三年，放牧覆盖作物在养分吸收峰值时显著增加了DON。微生物生物量碳（MBC）在第二年移植期放牧处理下显著高于休耕，但随后差异消失。微生物生物量氮（MBN）在第三年养分吸收峰值时，覆盖作物处理（放牧和未放牧）在0–15 cm深度显著高于休耕，放牧处理在15–30 cm深度显著高于休耕。
3.4 总碳和氮组分：总土壤碳、总土壤氮及各组分（MAOM-C、MAOM-N）在深度间递减，但处理间无显著差异。值得注意的是，在0–15 cm深度，覆盖作物处理（包括放牧和未放牧）的颗粒有机碳（POM-C）有降低趋势。
3.5 土壤微生物群落：PLFA生物量及多样性在处理间无显著差异，但第三年养分吸收峰值时，放牧处理显著降低了真菌:细菌比率（F:B），并提高了革兰氏阳性菌:革兰氏阴性菌比率（GP:GN）。

讨论部分总结：放牧对土壤物理性质影响极小，关键在于适度管理（如低密度、短时放牧）。放牧改善了氮释放时机，通过增加有机和无机氮库，同时未增加淋溶风险，可能得益于根系周转、动物排泄物输入及土壤微生物氮固定。微生物群落向细菌主导转变，反映了资源可利用性的变化。放牧对MAOM影响有限，但POM-C的早期减少提示需关注长期碳储效应。本研究表明，放牧覆盖作物是有机农民可行的策略，可优化氮供应、减少外部投入，且对土壤健康无明显负面影响。研究结论：研究人员旨在了解放牧覆盖作物如何影响土壤生物有效碳氮库，以及是否为覆盖作物适时释放氮的有效措施。研究显示，放牧覆盖作物常见的权衡（如压实和硝酸盐淋溶）极小甚至不存在，动物整合放大了覆盖作物的一些益处，特别是适时氮供应。放牧增加了有机形态氮（如DON和MBN），这对依赖土壤有机养分矿化的有机农民尤为重要。微生物组成向细菌主导的转变对长期效应的影响尚不明确，观察到的POM减少是最终导致更多MAOM储存还是仅降低总碳仍需进一步研究。尽管如此，绵羊放牧仍是寻求多样化农业生态系统、增加土壤生物活性和氮有效性、减少外部投入并闭合养分循环的有力选择。研究人员还观察到放牧地块在作物生长期杂草压力降低，杂草群落从单子叶向双子叶转变，可能提供额外益处。