综述：夏季填闲作物对农田氮素累积与损失影响的Meta分析

《Agronomy》：Effects of Summer Catch Cropping on Nitrogen Accumulation and Loss in Farmland with Meta-Analysis

　　

在蔬菜生产中，过量施用氮肥导致氮素利用效率(NUE)极低和大量活性氮损失。鉴于夏季休耕期降雨充沛且收获后土壤残留氮较高，硝态氮淋洗风险显著。本研究采用Meta分析系统评估填闲作物对夏季休耕期氮素损失和土壤氮素累积的影响。结果表明，填闲作物通过减少淋洗液体积24.54%以及降低淋洗液中总溶解氮(TDN)浓度43.36%、硝态氮(NO₃^?–N)浓度34.47%和铵态氮(NH₄⁺–N)浓度56.05%，显著减少了58.10%的总氮淋洗损失。填闲作物使土壤NO₃^?–N储量减少36.28%，土壤无机氮(SIN)储量减少40.61%，同时使土壤有机氮(SON)储量增加69.79%，微生物量氮(MBN)增加21.47%，从而实现了从易利用矿质氮向更稳定有机氮的转化。填闲作物还分别提高了氨化作用、矿化作用和硝化作用126%、142%和42%，并改变了微生物群落结构。填闲作物的有效性在不同分类群间差异显著：禾本科(Poaceae)综合表现最佳，玉蜀黍属(Zea)（尤其是甜玉米）在氮素综合调控方面表现最全面，而豆科(Fabaceae)则增加了土壤NH₄⁺–N。环境因子包括土壤深度、pH、有机质、总氮、初始NO₃^?–N、降雨量和土壤质地共同调控了填闲作物的有效性。总之，根据特定地点的土壤和环境条件合理选择填闲作物种类，可以有效减少夏季休耕期氮素淋洗，并支持精准氮素管理。

1. 引言

蔬菜生产中过量施氮导致氮素利用效率(NUE)仅15–33%，大量活性氮进入环境。中国设施蔬菜体系氮投入极高，土壤剖面残留硝态氮积累量大，夏季高温多雨促进土壤有机氮矿化，加剧硝态氮淋洗风险。填闲作物通过根系吸收、生物固氮等途径影响土壤氮动态，但不同物种间的调控效果差异尚不明确。本研究基于Meta分析，系统评估夏季填闲作物对氮损失和土壤氮累积的影响，并确定适宜物种与环境调控因子。

2. 材料与方法

2.1 数据收集与筛选：检索1996–2025年Web of Science、读秀学术和中国知网(CNKI)数据库，依据预设标准筛选出37篇文献，共3356个观测值。

2.2 数据提取与分类：提取氮淋洗损失、淋洗液体积、氮浓度、土壤氮库（TN、SIN、SON、MBN等）及微生物指标；所有填闲作物按科、属、种进行分类。

2.3 数据分析：以自然对数转换的响应比(RR)为效应量，采用随机效应模型进行Meta分析，计算变化率(CR)；通过线性混合模型检验连续变量（土壤pH、有机质、TN、初始NO₃^?–N、降雨量、深度等）的调节作用；运用随机森林(RF)模型评估各因子的相对重要性。

3. 结果

3.1 填闲作物对土壤氮损失与累积的总体效应

与休耕对照相比，填闲作物显著降低了总氮淋洗损失，变化率为?58.10%。其中，溶解性无机氮(DIN)淋洗损失降低88.24%，溶解性有机氮(DON)降低86.89%，NO₃^?–N淋洗损失降低47.97%，TDN淋洗损失降低44.07%；NH₄⁺–N淋洗损失无显著变化。淋洗液体积减少24.54%，淋洗液中TDN、NO₃^?–N和NH₄⁺–N浓度分别降低43.36%、34.47%和56.05%。土壤NO₃^?–N储量减少36.28%，SIN储量减少40.61%，SON储量增加69.79%，MBN含量增加21.47%。氨化作用、矿化作用和硝化作用分别提高126.03%、141.94%和41.61%；细菌丰度增加14.76%，真菌减少31.70%，氨氧化细菌(AOB)减少59.65%，脲酶活性增加14.00%。

3.2 填闲作物分类学对修复效果的影响

不同科属种的填闲作物对氮流失和累积的影响差异显著。禾本科(Poaceae)是唯一同时显著降低淋洗液NO₃^?–N浓度、TDN浓度和土壤NO₃^?–N含量的科，降幅分别为30.1%、36.4%和35.6%。十字花科(Brassicaceae)和马齿苋科(Portulaceae)对淋洗液氮浓度的降低效果显著（约47–49%）。属水平上，玉蜀黍属(Zea)是唯一能同时显著降低TDN淋洗损失、淋洗液NO₃^?–N浓度、TDN浓度和土壤NO₃^?–N含量的属，综合表现最佳。物种水平上，甜玉米对五项氮指标均有显著改善（降幅25–64%）；玉米和燕麦几乎完全抑制DIN和DON淋洗（>97%）；豌豆由于固氮作用仅中等程度降低淋洗（75–88%）。豆科(Fabaceae)因生物固氮显著增加了土壤NH₄⁺–N含量，不建议在高淋洗风险下单独使用。

3.3 环境因素对修复效果的影响

土壤深度增加会削弱填闲作物对淋洗液NO₃^?–N浓度、土壤NO₃^?–N含量与储量以及SIN储量的降低效应。高土壤pH增强了填闲作物对淋洗液体积和DIN淋洗损失的抑制，但减弱了对淋洗液NO₃^?–N浓度的降低效果。高土壤有机质(SOM)和总氮(TN)增强了填闲作物对DIN淋洗损失和SIN储量的降低作用，但削弱了对MBN的负效应。初始土壤NO₃^?–N含量升高会减弱对淋洗液体积、淋洗液NO₃^?–N浓度和DIN淋洗的降低，但会增强对淋洗液TDN浓度、MBN和土壤NO₃^?–N含量的降低。降雨量增加会减弱对淋洗液体积和SIN储量的控制，但增强对淋洗液NO₃^?–N浓度和土壤NO₃^?–N含量的降低。土壤质地影响复杂：粉壤土对NO₃^?–N淋洗损失的降低幅度最大（?64.48%），砂壤土反而使淋洗液体积增加23.33%；黏土和黏壤土对淋洗液NO₃^?–N浓度降低显著（?82.51%和?78.50%）。

3.4 影响因素的相对重要性

随机森林分析表明，土壤深度和填闲作物种类是对土壤NO₃^?–N含量影响重要性最高的因子；对NO₃^?–N淋洗损失，初始NO₃^?–N、降雨量和土壤深度具有统计显著性；对AOB丰度，填闲作物的属和种解释力显著；对TDN淋洗损失，NO₃^?–N含量、TN、土壤质地和SOM均显著。

4. 讨论

4.1 填闲作物对氮损失与累积的调控机制

填闲作物通过同时降低淋洗液体积和氮浓度，使总氮淋洗减少58.10%。根系对无机氮的快速截获是DIN淋洗大幅下降的主要原因，DON淋洗降低与有机氮源减少及微生物周转增强有关。填闲作物使矿质氮向有机氮库转化，刺激了矿化、氨化和硝化过程，但硝化增强并未导致NO₃^?–N淋洗增加，说明作物吸收截获能力足以抵消潜在风险。微生物群落的变化支持了上述氮转化过程，细菌丰度增加与矿化/氨化增强一致，AOB减少与硝化增强相悖，可能受其他功能微生物补偿。

4.2 填闲作物分类学对氮累积与损失控制的影响

不同分类水平的差异为物种选择提供了依据。禾本科综合性能最稳定，玉蜀黍属（尤其甜玉米）是综合氮管理的最佳选择；萝卜属(Raphanus)和高粱属(Sorghum)可快速降低淋洗液氮浓度；葱属(Allium)、苋属(Amaranthus)等主要消耗土壤NO₃^?–N库。豆科因固氮作用不宜单独作为填闲作物，需与非豆科搭配。同属不同种间差异显著，说明通过育种筛选高氮 scavenging 性状的潜力巨大。

4.3 环境因子对修复效果的影响

土壤深度削弱效果与根系活性随深度下降有关。高pH下硝化作用增强，导致NO₃^?–N产生超过作物吸收，削弱了浓度降低效应。高SOM改善根系环境和微生物碳源，增强无机氮固定。高TN土壤中填闲作物净除氮能力更强。降雨量增加虽削弱对水量的控制，但仍能有效降低氮浓度。土壤质地的影响无一致规律，需结合具体质地考虑。

5. 结论

本Meta分析证明，夏季休耕期填闲种植是减少集约化蔬菜体系氮淋洗损失（降低58.10%）的有效策略，其机制为同时减少水流通量和溶质氮浓度，并通过微生物固持将易损失矿质氮转化为稳定有机氮。填闲效果高度依赖于物种选择和环境条件。建议优先选择禾本科（如甜玉米）进行综合氮管理，避免单独使用豆科。未来需扩展研究地理范围，并开展长期试验以评估填闲作物的遗留效应。理性选择物种并因地制宜可有效降低氮淋洗风险，支持农田精准氮素管理。