覆盖作物管理与土壤改良剂对有机转换期间产量结果的影响

《Agronomy Journal》：Management of cover crops and soil amendments affect yield outcomes during organic transition

　　

本研究旨在评估覆盖种植和高量土壤改良剂在有机转换期间对作物产量的影响。研究人员在北卡罗来纳州沿海平原的砂质低有机碳土壤上，以碳当量为基础，按8 Mg C ha^?1的施用量，以不同施用方案施用堆肥、生物炭或两者“50/50”混合物，并设置有无覆盖作物处理。研究人员假设，这些处理将通过土壤有机碳（SOC）驱动的土壤健康改善（例如提高养分有效性）来增加作物产量。然而，与增产预期相反，覆盖种植和堆肥添加导致豆科覆盖作物之后的经济作物产量下降15%–20%。结果表明，这些处理提供的氮（N）超过作物需求，推动晚季杂草生长超出机械耕作窗口期，进而导致产量下降。此外，在某一年份，由于绛车轴草（crimson clover）终止较晚且其残体具有高碳氮比（>30），观察到覆盖作物氮与作物需求之间的同步性较差。这些结果是在独特背景下观察到的：在实施有机管理时，研究人员有意偏离了关于覆盖作物终止时机和肥料用量调整的氮相关最佳实践，分别是为了最大化碳输入和避免因氮肥用量不同导致产量差异。本研究强调了在无救援除草剂的东南部有机管理系统中，氮管理欠佳和杂草动态对作物生产力的负面后果。

覆盖作物管理和土壤改良剂施用是提升农业土壤健康的重要实践。土壤有机碳（SOC）作为土壤健康的核心指标，能够促进养分循环、改善土壤结构并增强保水能力。然而，在有机转换期（即获得有机认证前需遵守有机标准的3年时期），土壤健康受损可能导致养分供应不足，进而造成作物产量下降。美国北卡罗来纳州沿海平原的砂质土壤SOC含量低，亟需通过管理措施快速提升SOC。先前研究对有机改良剂和覆盖作物提升SOC及产量的效果报道不一，有的仅略微增加SOC，有的未能增加产量。因此，需要在高量改良剂投入和覆盖作物配合的条件下，系统评估有机转换期间作物产量的响应。为此，研究人员在北卡罗来纳州的两个地点（Clinton的Horticultural Crops Research Station和Rocky Mount的Upper Coastal Plain Research Station）开展了为期3年的田间试验，结果发表在《Agronomy Journal》。

试验采用随机完全区组设计（RCBD），设置堆肥、生物炭、50/50堆肥-生物炭混合物（碳当量）和未改良对照，施用方案为一次施用（SA）或三次年施（AA），并设冬季覆盖作物（WCC）与冬季休闲处理。经济作物轮作为玉米（Zea mays）、大豆（Glycine max）和甘薯（Ipomoea batatas），覆盖作物包括绛车轴草（Trifolium incarnatum）和谷类黑麦（Secale cereale）。研究人员测定了土壤SOC、总无机氮（TIN）、作物产量、植物氮含量，并在第3年对杂草压力进行目视评分和无人机影像分析。统计采用方差分析（ANOVA）和对比分析。试验地点均位于北卡罗来纳州沿海平原，土壤为Norfolk系列（细壤质，高岭石，热性Typic Kandiudults），初始SOC为6.90–8.02 g C kg^?1，pH均为5.7。

结果部分如下：

3.1 作物产量

3.1.1 覆盖作物生物量与氮贡献

覆盖作物（WCC）生物量在处理间存在差异。第0年绛车轴草作为首茬覆盖作物，其生物量在两点间无差异；第1年谷类黑麦在Clinton因延迟终止而生物量和碳氮比（C:N）显著高于Rocky Mount；第2年绛车轴草在Rocky Mount的生物量和氮含量更高。施肥处理显著提高了第1年谷类黑麦生物量（较未施肥对照高47%）。覆盖作物氮含量为56.0–97.7 kg N ha^?1。第3年绛车轴草因延迟至5月下旬终止，残体C:N比（约34）高于第0年（约22），氮供应与作物需求同步性较差。

3.1.2 经济作物群体与产量

种植密度仅在第1年受WCC影响，Clinton的WCC处理玉米群体较低。产量分析显示，第1年玉米产量存在ATR与WCC的交互作用：覆盖作物配合堆肥（SA和AA）及50/50混合物（SA）处理较冬季休闲处理显著减产，而未施肥对照中覆盖作物反而增产。第3年甘薯产量中，WCC降低了施肥对照、堆肥和50/50处理的产量，而未施肥对照无变化；生物炭在冬季休闲处理下产量低于施肥对照。第2年大豆产量仅受地点影响，处理无显著差异。单次施用与分次施用（SA vs. AA）在任何年份均无显著产量差异。

3.2 SOC与土壤TIN

各年季后SOC均受ATR和WCC显著影响。第1年SA处理较未改良对照增加SOC，第3年所有改良处理SOC均显著高于对照。WCC处理各年SOC均高于冬季休闲，第2年在Clinton的增幅更大，与黑麦生物量较高一致。TIN方面，WCC处理普遍高于冬季休闲；堆肥处理仅在部分采样时期增加TIN，且SA与AA间无差异；所有改良处理均未降低TIN。

3.3 经济作物氮含量

堆肥显著提高第1年玉米秸秆氮（+1.45 g N kg^?1）和第2年大豆籽粒氮（+0.97 g N kg^?1），但对第3年甘薯无影响。WCC提高了第1年玉米和第3年甘薯的植物氮含量，但对第2年大豆无影响。施用方案（SA vs. AA）不影响植物氮含量。

3.4 第3年杂草压力

第3年8月初（约45天苗龄）出现大量晚季杂草，目视评分（1–5）显示，WCC处理获得更高杂草评分的几率是冬季休闲的10.5倍，堆肥和施肥对照的杂草评分几率约为生物炭的4.7倍。将杂草评分作为产量预测因子时，评分4和5对应的甘薯产量显著低于评分2和3。利用无人机影像的冠层高度模型掩膜（CHMM）仅在Rocky Mount可行，结果证实WCC显著增加冠层以上杂草面积（WCC为1002 dm²，冬季休闲为156 dm²），但AT效应仅体现为未施肥对照低于其他处理。

讨论部分指出，处理导致的产量损失并非源于SOC提升，因为SOC增加未转化为产量收益。氮过量和杂草竞争是主要原因。在第1年和第3年，堆肥和WCC组合提供了超过作物需求的氮，刺激晚季杂草生长，而机械除草窗口已过，导致减产。物理干扰和土壤水分消耗只能解释部分地点的现象。第2年大豆未减产，归因于黑麦高C:N（>30）导致氮释放缓慢，且天气干旱抑制杂草，同时无氮肥和豆科覆盖作物投入。研究还指出，与以往温带地区研究不同，美国东南部严格有机管理（无除草剂）下豆科覆盖作物可能导致减产。由于研究设计有意偏离最佳实践（延迟终止覆盖作物、不调整氮肥），结果凸显了氮管理不当的负面后果。

翻译研究结论部分：

改良剂和覆盖作物是增加土壤健康的重要工具，因此必须了解如何在有机管理下实施这些做法而不遭受产量损失。当豆科覆盖作物在第3年直到5月才终止时，观察到覆盖作物来源的氮与作物需求之间的同步性较差，而较早终止在第1年产生了正向的产量响应（仅在未施肥、未改良对照中）。相对高量的堆肥、覆盖作物和未调整的氮肥用量组合使产量下降15%–20%，这与较高的植物有效氮以及（在表征年份）较高的杂草压力相吻合。在一个地点-年份中，覆盖作物残体的种植干扰也可能影响了产量。需要开展更多研究来了解覆盖作物和改良剂如何影响作物-杂草相互作用以及有机管理下产量损失的其他可能途径。本研究结果表明，在有机管理下，应尽可能抑制促进氮矿化超过作物需求窗口的因素。覆盖作物应更早终止以避免高碳氮比，添加有机氮源时应降低肥料用量，高量改良剂可在注意晚季氮矿化可能促进杂草生长的前提下使用。虽然最佳实践的经济理由众所周知（例如节省肥料成本），但关于氮管理控制不佳可能产生的负面后果的信息较少。进行有机转换的农民可能会在豆科覆盖作物之后施用全量肥料以确保产量，却没有意识到杂草压力增加的可能性。本文结果证明，在有机转换期间不遵守最佳实践会产生负面结果，这可能掩盖或抵消所实施做法的土壤健康效益。