【中文标题】加州地中海半干旱一年生作物系统中覆盖作物对土壤健康的权衡与多重结果管理

《Soil Science Society of America Journal》：Managing for multiple outcomes: Soil health trade-offs of cover cropping in Mediterranean semiarid annual cropping systems in California

　　

覆盖作物（CC）因其对土壤健康的益处而被广泛推广，但其在地中海半干旱气候下的有效性仍知之甚少。研究人员在加州中央谷地开展了为期3年的农场田间试验，以评估在代表性一年生作物系统中覆盖作物对土壤碳动态及相关土壤健康指标的影响。试验点包括萨克拉门托-圣华金三角洲（San Joaquin County）的夏季豆科覆盖作物、弗雷斯诺县棉花（Gossypium barbadense L. 或 Gossypium hirsutum L.）生产中的冬季混合物种，以及萨特县蔬菜系统中的冬季豆科覆盖作物。土壤碳的响应因地点和深度而异，挑战了关于普适性益处的假设。在Delta试验点，与休耕相比，夏季覆盖作物出乎意料地使表层碳储量减少了60%–85%，这可能是由于土壤扰动增加和灌溉增强了呼吸作用。相反，Mendota试验点在30至90 cm深度显示出显著的碳增加，表明在地表条件受到严重扰动时，深层具有碳储存的潜力。Sutter试验点维持了碳平衡，并且尽管有来自豆科覆盖作物的氮输入，但避免了有问题的N₂O排放。除了碳之外，覆盖作物还带来了重要的协同效益，包括降低土壤盐分、改善水分入渗以及增强土壤结构。这些发现表明，覆盖作物在地中海气候下的成功取决于特定地点的因素和管理实践，表明需要制定适应当地条件的策略，而不是普适性的建议。

覆盖作物（CC）是广泛认可的保护性农业措施，能促进一年生作物系统的土壤健康。通过增加土壤有机碳（SOC）、降低容重并促进大孔隙形成，覆盖作物可以有效改善土壤结构。尽管覆盖作物有诸多益处，但在干旱或半干旱地区，由于生长季水分不足，其生长常受到限制，且可能与后续经济作物竞争水分。目前大多数关于覆盖作物和土壤碳的研究来自落基山脉以东、具有温暖湿润夏季和漫长寒冷冬季的大陆性气候区，这与加州的地中海气候有根本不同。加州中央谷地具有夏旱冬湿的地中海气候特征，在土壤水分与温度解耦的情况下，微生物在冬季依然保持活跃，导致有机质分解压力持续全年。此外，加州集约化灌溉农业系统在缺乏足够碳投入时会加剧现有SOC的消耗。以往的许多研究数据集通常只关注土壤表层0–30 cm，忽视了深层土壤碳的动态变化。因此，研究人员开展了一项研究，探究覆盖作物对加州中央谷地一年生作物系统不同深度（0–90 cm）土壤碳动态和健康指标的影响。该研究得出结论，覆盖作物对土壤碳的影响因地点而异，但在维持碳储量和提供其他土壤健康协同效益方面具有重要价值。该论文发表在《Soil Science Society of America Journal》上，为半干旱地中海气候下的土壤管理提供了重要的科学依据。

研究人员于2018至2020年在加州中央谷地3个商业农场开展了田间试验。样本队列来源于Sutter县、San Joaquin县Delta地区和Fresno县Mendota地区。试验采用随机完全区组设计（RCBD）或裂区设计，设置种植覆盖作物与不种植对照两个处理，并设3个重复区组。研究人员每年采集0–90 cm深度的土壤样本，采用干燃烧法测定总有机碳和氮，利用静态箱法采集并分析温室气体（GHG）通量，运用线性回归模型和重复测量方差分析（ANOVA）对数据进行统计分析。

3.1 碳储量
覆盖作物对土壤碳储量的影响因地点而异。Sutter点在所有深度均未观察到碳积累的显著变化，冬季豆科覆盖作物维持了与对照相当的碳储量，这表明防止碳流失在集约化农业系统中同样具有重要意义。Delta点的夏季覆盖作物在0–15 cm和15–30 cm深度出现了碳储量的显著下降，这可能是由于土壤耕作扰动破坏了团聚体，加上夏季灌溉促进了微生物呼吸，加速了碳的分解。Mendota点在表层0–15 cm碳储量降低，但在30–60 cm和60–90 cm深度的次表层观察到碳储量的显著增加，这可能是由于溶解性有机碳通过灌溉水分向下迁移并在富含黏粒的深层土壤中积累，或者覆盖作物根系通过根际沉积将碳输送到更深层。

3.2 温室气体
在3个试验点中，温室气体通量均未表现出统计学上的显著处理差异。Sutter点在增加氮投入（来自堆肥和豆科覆盖作物）的情况下，并未增加N₂O排放，这表明豆科覆盖作物在不增加温室气体排放方面具有协同效益。Delta点由于夏季种植覆盖作物并灌溉，刺激了微生物活性，导致CO₂通量显著增加。Mendota点土壤质地较粗、透气性好且氮含量低，未观测到明显的N₂O通量。

3.3 其他土壤健康指标
除碳和温室气体外，其他土壤健康指标如pH、电导率（EC）、高锰酸钾可氧化碳（PoxC）和入渗率的变化不一。Sutter点各项指标无显著变化，说明在加州地中海气候下，短期内显著改变土壤碳的难度较大，但长期可能改善其他土壤健康指标。Delta点观察到覆盖作物处理显著降低了土壤EC，改善了水分入渗率，表明覆盖作物可通过淋洗可溶性盐类来管理土壤盐渍化。Mendota点虽无显著的定量数据，但定性观察到覆盖作物在暴雨期间改善了水分入渗，减少了田间积水。

讨论与结论
研究揭示了覆盖作物在加州地中海半干旱集约化管理系统中的成功取决于季节时间、灌溉方式、作物系统和土壤质地等因素的相互作用。由于存在表层碳损失和次表层碳增加等复杂情况，仅关注地表0–30 cm不足以反映整体动态。不应寻求普适性的覆盖作物建议，而应制定考虑特定地点变量的决策框架。这项研究表明，覆盖作物对土壤碳的影响在加州多样化的农业景观中具有特定地点性。尽管在所有试验点缺乏一致的短期碳固存效益，但研究人员观察到覆盖作物提供了维持碳储量、减少土壤盐渍化、改善入渗率等重要协同效益。因此，在地中海或半干旱地区，应在整体和适应当地条件的框架下评估覆盖作物，考虑碳固存之外的多种土壤健康指标和生态系统服务。在加州集约化一年生作物系统中维持碳储量本身就是一项有价值的成就，未来需要长期的监测并测量矿物结合态有机碳（MAOM）等来深入了解覆盖作物的机制。