通过覆盖作物管理增强农田土壤功能

《Agronomy》：Enhancing Agronomic Soil Functionality via Cover Cropping Management

　　

本研究旨在探究覆盖作物终止后早期阶段作为评估土壤响应和改善农业管理决策的关键窗口。试验在意大利南部开展，采用裂-裂区设计，涉及三个因素：灌溉系统（喷灌与滴灌）、覆盖作物混合组合（蚕豆、燕麦和油菜，与野豌豆、大麦和白芥）、以及覆盖作物终止方式（翻压混入与地表覆盖）。试验选取了四项土壤参数：土壤有机质、土壤团聚体稳定性、全氮和土壤入渗速率。研究结果表明，各处理间全氮无显著差异，而滴灌处理下土壤入渗速率增加，喷灌处理下则降低。所有处理的土壤团聚体稳定性均有所提高，土壤有机质同样增加，在数周内提高了约20%。总体而言，灌溉系统是早期土壤理化响应的主要调节因子。灌溉系统与覆盖作物终止方式之间的交互作用在所调查参数中产生了最大差异。喷灌与生物质翻压相结合的处理使土壤有机质增幅最大。

覆盖作物管理对农田土壤功能的增强效应：一项多因素田间试验的整合解读

### 1. 研究背景与问题

土壤退化已成为全球农业面临的重大威胁，过去40年间全球已丧失4.3亿公顷耕地。传统农业实践中普遍采用的集约耕作和单一种植制度导致了土壤肥力、土壤有机质含量和土壤结构的持续下降。面对2050年全球100亿人口的粮食需求，如何在增加生产的同时保护自然资源，是当前农业系统亟需解决的核心矛盾。覆盖作物种植作为一种重要的农业管理实践，已被证明能够提供多种生态系统服务，包括减少硝酸盐淋溶、增强土壤微生物活性、调节土壤温度、促进养分循环、减少土壤侵蚀和径流以及保持土壤水分等。这些有益效应在很大程度上与覆盖作物对土壤有机碳的影响相关。然而，现有研究大多聚焦于覆盖作物长期采用后的效应，而对于覆盖作物在实际农场中往往与其他管理措施（如灌溉系统、终止方式）组合应用的多因素交互效应，研究仍然十分有限。特别是，灌溉系统如何改变土壤有机碳、终止方式与灌溉系统的交互作用如何影响土壤理化性质，这些科学问题尚缺乏系统认识。因此，本研究旨在回答以下问题：覆盖作物能否在短期内快速改变土壤有机碳和关键理化性质？其他管理实践如何强化或引导覆盖作物对土壤的影响？改变后的土壤性质对下一季经济作物有何利弊？研究假设土壤性质（主要是土壤有机碳）在覆盖作物种植后随管理实践的综合效应而变化，而非受单一因素的独立影响。

### 2. 关键技术方法

本研究在意大利南部巴里省Valenzano开展，试验地为地中海气候，采用裂-裂区设计，设置三个因素（各两个水平）：灌溉系统（喷灌与滴灌，最终灌溉量约14 m3）、覆盖作物混合组合（混合1：蚕豆、燕麦、油菜；混合2：野豌豆、大麦、白芥，播种密度160株/m2，豆科、十字花科和禾本科按重量比15:35:50）、终止方式（翻压混入与地表覆盖）。处理重复4次。土壤参数测定包括：土壤有机碳（Walkley-Black法）、全氮（凯氏定氮法）、土壤入渗速率（田间入渗仪法）、容重及土壤团聚体稳定性（湿筛法，以平均重量直径表示）。数据分析采用单因素和双因素方差分析及Tukey事后检验。

### 3. 研究结果

#### 3.1 土壤入渗速率

滴灌处理下土壤入渗速率平均增加1.3 cm/h，而喷灌处理下平均降低相同幅度。最高入渗速率出现在滴灌+混合1+翻压处理（D1i），最低值出现在喷灌+混合2+覆盖处理（S2m）。所有滴灌处理均被归类为高入渗速率（≥5 cm/h），所有喷灌处理为低入渗速率。原因在于滴灌最大限度减少了土壤表面扰动并保护了土壤结构，而喷灌水滴的反复冲击可促进团聚体破坏和表面封闭。

#### 3.2 土壤团聚体稳定性

所有处理在覆盖作物种植后均表现出土壤团聚体稳定性的提高。其中S2i处理增幅最大，增加了16倍，其次为D1m处理（增加7.3倍）。团聚体稳定性的提升可视为碳稳定的功能途径，有助于有机碳的长期固持，但其效应可能是短暂的。

#### 3.3 土壤有机碳

试验前土壤有机碳为12.8 g/kg，试验后增幅介于0.5 g/kg（D1m）至2.7 g/kg（S2i）之间。喷灌处理的土壤有机碳均高于14.0 g/kg，而滴灌处理均低于此值。在喷灌处理中，翻压混入比地表覆盖在短期内对有机碳的提升效果更明显（相差约1 g/kg），这归因于死亡植物生物量对有机碳形成的直接贡献。在滴灌处理中，混合组合的差异更为关键，混合2处理的有机碳高于混合1。

#### 3.4 全氮

各处理间全氮含量无显著差异，但在试验期间总体下降约0.3 g/kg。这归因于氮素积累需要多年覆盖作物种植，且受物种组成影响。低全氮含量对下一季作物的管理具有重要警示意义，需要额外供氮以避免土壤贫瘠化。

#### 3.5 因素对四参数的综合效应

通过气泡图综合分析表明，喷灌处理具有较高土壤有机碳和较低入渗速率，而滴灌处理则相反。在滴灌组内，混合2（含白芥）通过直根机制改善了团聚体稳定性，且豆科植物贡献了相近的全氮值；混合1中禾本科的影响占主导，表现出相近的有机碳效应。在喷灌组内，终止方式成为区分处理的关键：翻压混入的处理在有机碳、入渗速率和全氮方面表现更优，被认为是接收下一季经济作物的最佳处理组合。

#### 3.6 因素的显著效应及其交互作用

双因素方差分析显示，三个因素的三重交互作用对所有参数均不显著。灌溉系统显著影响所有参数：滴灌下土壤入渗速率和团聚体稳定性更高，喷灌下有机碳和全氮更高。混合组合对入渗速率、团聚体稳定性和全氮有显著影响，但对有机碳无显著影响。终止方式对所有参数均无显著独立效应。在两两交互方面，灌溉×混合显著影响团聚体稳定性和全氮；灌溉×终止方式显著影响团聚体稳定性、有机碳和全氮；混合×终止方式显著影响团聚体稳定性和全氮。

### 4. 讨论与结论

研究表明，覆盖作物终止后五周即可观察到土壤性质的显著变化，其中灌溉系统是早期土壤响应的主导驱动因素。滴灌持续改善了土壤入渗速率，比处理平均值高约20%；喷灌则促进了土壤有机碳积累，在七个月观测期内增幅超过2 g/kg。土壤团聚体稳定性在所有处理下均提高，证实了覆盖作物对土壤结构改善的积极贡献。全氮未增加反而下降约0.3 g/kg，表明其积累需要更长管理周期或更多样的物种配置。灌溉与终止方式的交互产生了处理间最大差异：喷灌结合翻压获得最高有机碳增幅，而滴灌结合混合1翻压获得最高入渗速率。未检测到三重交互作用，说明短期观测中土壤响应主要由两两交互解释。这些发现表明，覆盖作物终止后的短期土壤评估可为根据目标土壤功能选择最佳农艺管理策略提供有用信息。虽然观测到的响应可能不会持续存在，但可为更明智的管理决策提供支持。未来需要在不同环境条件下开展多年重复土壤监测研究，以评估这些响应的持久性及其对后续作物表现的影响。论文发表于《Agronomy》。