短期牧草与矿质施肥提高潜在氮矿化速率、稳定碳含量并降低土壤容重

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Short-term leys and mineral fertilisation increase potential nitrogen mineralisation rate and stable carbon and reduce bulk density

　　

摘要：将短期牧草纳入轮作已被证明可减少土壤有机质损失，并在较低氮（N）投入下提高产量。然而，在无厩肥施用的情况下，仅含禾本科或禾本科-豆科植物的短期牧草，在不同氮肥施用制度下如何影响表层土壤潜在氮矿化速率、作为稳定碳（C）估算指标的烷基碳（alkyl carbon）丰度、容重（bulk density）以及碳储量，目前尚不清楚。本研究利用位于瑞典南部和中部三个地点的长期农业田间试验系列，该系列包含三种作物轮作和四个水平的矿质氮肥施用。结果表明，在所有地点，来自含牧草轮作的土壤的潜在氮矿化速率显著高于不含牧草轮作。在Stenstugu（该地点初始土壤碳含量较低且质地较粗），与仅含禾本科牧草轮作相比，禾本科-豆科牧草轮作进一步提高了氮矿化。矿质氮肥施用相对于不施氮增加了潜在氮矿化。在所有地点，含牧草轮作，尤其是禾本科-豆科牧草轮作，显示出更高的稳定碳丰度（以烷基-C为指标），而矿质氮肥施用主要增加了纯禾本科牧草轮作和不含牧草轮作中的稳定碳含量。施氮肥处理的土壤容重低于不施氮处理，在Stenstugu，含牧草轮作也降低了容重。高氮肥施用和含牧草轮作下的表层土壤碳储量更高。总体而言，这些结果表明，短期牧草有助于改善土壤肥力的某些方面，但这些效应的程度具有地点特异性，并可能受到初始土壤性质的影响。

### 论文解读：短期牧草与矿质施肥对土壤肥力的影响

#### 研究背景与问题

在现代市场化农业体系中，农场专业化程度提高，作物生产日益以谷物为主，导致多年生牧草（用于饲料的禾本科和/或草本豆科植物）及有机投入（如厩肥）的使用减少。这一变化削弱了养分循环、碳（C）储存及其他与土壤相关的生态系统功能与服务，并对土壤结构、生物活性和长期土壤肥力产生不利影响。土壤肥力是土壤健康概念的重要组成部分，指土壤支持农业生产力的能力，与土壤有机质（SOM）的数量和组成、养分有效性及关键物理性质（如容重）密切相关。SOM的形成受作物残留物质量的强烈影响，而残留物质量通过影响分解途径和SOM周转，进而调节土壤氮（N）矿化和作物供氮能力，并可能影响对外源氮肥的需求。因此，将短期牧草纳入轮作等增加土壤碳输入的管理措施，能够同时影响SOM动态和土壤肥力。尽管已有研究表明短期牧草可以增加或维持土壤碳浓度，但它们是否会引起有机质化学组成的变化，进而影响其短期和长期效应，尚不清楚。SOM的两个主要功能团是O/N-烷基-C和烷基-C（alkyl-C）。O/N-烷基-C主要来源于碳水化合物和蛋白质，代表较易分解的活性SOM组分；而烷基-C主要来源于脂肪族烃类（如蜡和脂质），代表更稳定、难分解的SOM组分，可作为稳定有机碳的指标。活性SOM对微生物活动和养分矿化至关重要，而稳定SOM则与长期碳固存更直接相关。目前尚不清楚具体的管理措施（如短期牧草和矿质氮肥）是否会影响烷基-C的含量。此外，土壤压实和高容重在机械化农业中普遍存在，而牧草通过其致密的多年生根系系统可促进土壤团聚和孔隙度，从而降低容重。然而，在无厩肥施用的耕作系统中，短期牧草带来的SOM增加是否足以引起容重的可测量长期变化，以及矿质氮肥是否能通过提高作物生产力来改善土壤物理性质，目前仍不明确。因此，本研究旨在确定短期牧草和矿质氮肥如何影响关键的土壤肥力指标，包括表层土壤潜在N矿化、SOM组成（烷基-C丰度）、容重和土壤碳储量。

#### 研究内容与结论

研究人员基于一项始于1965-1967年的长期农业田间试验，该试验位于瑞典南部和中部的三个地点：Stenstugu、Lanna和S?by。试验设置了三种六年的作物轮作（包含两年禾本科-豆科牧草的轮作、两年纯禾本科牧草的轮作，以及不含牧草的轮作），并在每种轮作下设置了四个水平的矿质氮肥施用量。研究人员采集了表层土壤样品，分析了潜在N矿化速率、烷基-C丰度（通过漫反射傅里叶变换红外光谱法测定）、容重及土壤碳储量。研究得出以下主要结论：短期牧草的纳入和矿质氮肥的施用均能提高潜在N矿化速率，但豆科植物对N矿化的促进作用具有地点特异性；含牧草轮作，尤其是禾本科-豆科牧草轮作，增加了稳定碳（烷基-C）的丰度，而矿质氮肥对稳定碳的促进作用主要体现在纯禾本科牧草轮作和不含牧草轮作中；含牧草轮作维持了比不含牧草轮作更高的表层土壤碳储量；矿质氮肥施用降低了土壤容重，而在初始碳含量较低、质地较粗的土壤中，禾本科-豆科牧草轮作也降低了容重。这些结果表明，短期牧草有助于改善以谷物为主的轮作系统中的关键土壤肥力指标，但效应的大小具有地点特异性。该论文发表在《Agriculture, Ecosystems》。

#### 主要关键技术方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：1) 厌氧培养法测定潜在净N矿化速率；2) 漫反射傅里叶变换红外光谱法（DRIFT）在中红外（MIR）波段的烷基-C吸收区域（2800–3000 cm?1）测定光谱，以估算烷基-C丰度，进而作为稳定碳的指标；3) 使用钢环采集原状土样测定土壤容重；4) 结合实测容重与前期报道的总碳浓度数据计算表层土壤碳储量。样本来源为位于瑞典南部和中部三个地点（Stenstugu、Lanna和S?by）的长期农业田间试验系列。

#### 研究结果

**3.1. 潜在N矿化速率**
通过线性混合效应模型分析，研究人员发现作物轮作对潜在N矿化速率有显著影响（p=0.003），含牧草轮作（禾本科-豆科或纯禾本科）的土壤矿化速率比不含牧草轮作高约0.4 mg N kg?1 soil d?1。在Stenstugu地点，禾本科-豆科牧草轮作的矿化速率比纯禾本科牧草轮作高约0.43 mg，但在其他地点两种牧草轮作之间差异不显著。矿质氮肥施用（N1-N3）也显著提高了潜在N矿化速率（p<0.001），比不施氮处理（N0）高0.3 mg N kg?1 soil d?1。

**3.2. 稳定碳**
通过主成分分析（PCA）和类间分析（BCA）分析MIR光谱数据，研究人员发现作物轮作和氮肥水平对烷基-C丰度有显著影响，且两者之间存在交互作用。在所有地点，含牧草轮作（尤其是禾本科-豆科牧草轮作）显示出更强的烷基-C相关信号，表明稳定碳丰度更高。矿质氮肥施用总体上增加了烷基-C信号，但这一效应在纯禾本科牧草轮作和不含牧草轮作中更为明显，而禾本科-豆科牧草轮作对氮肥的响应较弱。

**3.3. 容重**
通过线性混合效应模型分析，研究人员发现矿质氮肥施用显著降低了土壤容重（p<0.001），施氮处理（N1-N3）的平均容重比不施氮处理（N0）低0.04 g cm?3。但作物轮作对容重的总体影响不显著（p=0.076）。在Stenstugu地点的单独分析中，禾本科-豆科牧草轮作下的土壤容重（1.55 g cm?3）显著低于不含牧草轮作（1.60 g cm?3）。在Stenstugu地点，容重与土壤总碳浓度之间存在微弱的负相关关系（R2=0.25, p=0.034）。

**3.4. 土壤碳储量**
通过线性混合效应模型分析，研究人员发现含牧草轮作的表层土壤碳储量（平均33 t C ha?1）显著高于不含牧草轮作（31 t C ha?1）（p<0.001）。高氮肥水平（N3）下的碳储量（平均比低氮水平N1高1.8 t C ha?1）也显著高于低氮水平（p<0.001）。这些效应在不同地点之间表现一致。

#### 讨论与结论

讨论部分指出，含牧草轮作中较高的潜在N矿化速率解释了前期研究中观察到的谷物产量和氮浓度的差异，这可能与牧草轮作较高的土壤总碳和氮浓度有关。豆科植物对N矿化的促进作用仅在Stenstugu地点显著，这可能与该地点砂质质地和较低的初始土壤碳含量有关，使得土壤对管理措施响应更敏感。矿质氮肥提高N矿化可能源于作物产量增加、残留物输入增多以及微生物活性增强。含牧草轮作中较高的烷基-C丰度反映了更大的碳输入，这与前期报道的更高总碳浓度一致。矿质氮肥对烷基-C的影响因轮作而异，表明生物固氮对SOM积累和稳定碳形成有贡献。地点间差异表明土壤质地等特性会影响管理措施的响应。容重对牧草轮作的整体响应不显著，可能与高粘土含量土壤的结构稳定性较强有关，但在质地较粗的Stenstugu地点，禾本科-豆科牧草轮作显著降低了容重。含牧草轮作和高氮肥施用均能维持更高的碳储量，这归因于更大的地下碳输入和作物生产力。

**研究结论翻译**：研究人员评估了在不同矿质氮肥水平下，包含或不包含纯禾本科或禾本科-豆科牧草的作物轮作对表层土壤潜在N矿化速率、稳定碳丰度（以烷基-C信号为指标）、土壤碳储量和容重的影响。研究表明，短期牧草的纳入和矿质氮肥施用提高了潜在N矿化速率。结果还表明，豆科植物的纳入可能进一步提高N矿化速率，尽管这一效应具有地点特异性。此外，短期牧草轮作增加了稳定碳的丰度，其中禾本科-豆科牧草轮作通常表现出最强的响应，而稳定碳对矿质氮肥的响应在纯禾本科牧草轮作和不含牧草轮作中最为显著。尽管牧草期相对较短且未施用有机改良剂，但含牧草轮作维持了比不含牧草轮作更高的表层土壤碳储量，同时高氮肥水平下的碳储量也高于低氮水平。矿质氮肥施用降低了容重，且在初始碳含量较低的粗质地土壤中，禾本科-豆科牧草的纳入也降低了容重。总体而言，这些结果表明，短期牧草有助于改善以谷物为主的轮作系统中的关键土壤肥力指标，但这些益处的大小在不同地点之间存在差异。