长期免耕玉米–大豆轮作下印第安纳州东南部黑麦（cereal rye）覆盖种植对土壤生物性状季节动态的影响

《Soil Science Society of America Journal》：Seasonal dynamics of soil biological properties under long-term cereal rye cover cropping in a no-till corn–soybean rotation in Southeastern Indiana

　　

覆盖作物广泛用于玉米（Zea mays L.）–大豆（Glycine max）系统以改善土壤健康，但土壤生物性状对长期覆盖种植的季节动态响应仍未被充分理解，尤其在东部玉米带低有机质软土（Alfisols）中。研究人员评估了2011年建立的免耕玉米–大豆轮作田间试验中，十多年黑麦（Secale cereale L.）覆盖种植对土壤生物性状的影响。研究人员于2023–2024年秋、春、夏在0–10 cm和10–20 cm两层采样，测定土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon, SMBC）与氮（soil microbial biomass nitrogen, SMBN）、潜在矿化碳（potentially mineralizable carbon, PMC）、高锰酸盐可氧化碳（permanganate-oxidizable carbon, POXC）、高压灭菌柠檬酸盐提取（autoclaved citrate-extractable, ACE）蛋白，以及碳（C）、氮（N）、磷（P）循环相关酶活性。覆盖种植提高了SMBC、SMBN和PMC，处理效应随季节和土层变化；对微生物量和PMC的促进在春季最明显，且主要局限于0–10 cm。相比之下，POXC、ACE蛋白以及β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase, BG）和N-乙酰-β-葡萄糖胺酶（N-acetyl-β-glucosaminidase, NAG）活性总体处理效应有限，而酸性磷酸酶（acid phosphatase, AP）活性在覆盖种植下升高并于夏季达峰。结果表明，长期黑麦覆盖种植增强免耕系统中生物介导的C和养分循环，其效应以季节性和垂直分层方式表达，而非均匀、持续的增加。

该研究背景为：美国玉米带集约化玉米–大豆轮作导致土壤侵蚀、养分耗竭和土壤有机质（soil organic matter, SOM）下降；玉米和大豆每年仅田间活跃生长4–5个月，长期休耕期使土壤易受侵蚀和养分流失。覆盖作物尤其黑麦因适应性强、耐冷和高生物量被广泛采用，可通过根系生长、根际沉积（rhizodeposition）、残体分解及改善土壤物理条件刺激微生物活性和生物性状。然而，覆盖作物对土壤生物性状的季节变异性仍缺乏充分表征，且东部玉米带低有机质、排水差、易蚀软土中，生物响应是否全年持续或随深度衰减尚不清楚。因此，研究人员利用2011年始于印第安纳州东南部Southeast Purdue Agricultural Center（SEPAC）的长期免耕玉米–大豆轮作试验，探究长期黑麦覆盖种植对土壤生物性状的季节与深度分异机制。

作者为开展研究用到的主要关键技术方法如下：研究采用裂区设计，以现金作物种类为主区、覆盖作物处理为副区，基于2011年起长期定位试验；样本队列来自SEPAC的玉米–大豆轮作 plot，2023年玉米季后仅取玉米处理 plot，设黑麦覆盖与无覆盖两类处理，每处理4个重复；于2023年12月、2024年5月、2024年7月在0–10 cm和10–20 cm用土钻取样并混合；生物指标采用熏蒸提取法测SMBC和SMBN，密闭培养测PMC，高锰酸盐氧化法测POXC，高压灭菌柠檬酸盐法测ACE蛋白，荧光微孔板法测BG、NAG和AP活性；统计用线性混合模型分析处理、深度、采样期及交互作用，并以主成分分析（principal component analysis, PCA）和相关分析归纳多指标结构。

研究结果如下。

3.1 土壤水分、无机氮及其他化学性质：研究人员通过季节采样发现，覆盖种植对土壤水分主效应不显著，但7月表层保水更强；硝态氮（NO₃^?–N）在12月最高、7月最低，覆盖种植降低NO₃^?–N且效应在5月和0–10 cm最明显；铵态氮（NH₄⁺–N）受处理和深度影响较小。结论为覆盖作物可截获残留氮并改变无机氮季节分配。

3.2 土壤微生物量、活性碳氮库及酶活性：3.2.1 土壤微生物量碳和氮：SMBC和SMBN在覆盖种植下显著升高，表层高于亚表层，覆盖效应在春季和0–10 cm最强，SMBN还有显著处理×采样期交互，说明黑麦活根输入在春季形成微生物“热时刻”。3.2.2 土壤碳氮库：PMC在覆盖种植下显著增加且春季、表层最强；POXC对覆盖种植无显著差异但有季节变化；ACE蛋白主要受深度控制，覆盖×深度边际显著，表层倾向升高、亚表层倾向降低。结论为微生物量和PMC对近期根际输入敏感，POXC和ACE蛋白反映更慢或受深度/需求调控的库。3.2.3 胞外酶活性：AP在覆盖种植下显著升高且夏季达峰；BG无显著处理效应；NAG无主效应但有显著覆盖×深度交互，表层升高、亚表层降低。结论为酶响应具指标特异性，养分获取酶比总体C降解酶更能反映作物需求和残体阶段。

3.3 土壤生物性状多元格局：PCA中PC1解释47%方差，覆盖种植和0–10 cm趋向负轴并与微生物量、PMC等强相关；PC2解释16%方差，区分无机氮形态与酶活性，7月样本关联AP、NAG和NH₄⁺–N。相关分析显示微生物量、活性池和BG强相关，无机氮与微生物C过程弱或相关为负，说明矿物氮有效性与微生物C过程解耦。

讨论部分总结：研究人员指出，春季活根通过根际途径提供新鲜C，使SMBC、SMBN和PMC在5月形成最强处理效应；终止后残体分解和玉米生长引发残体途径，AP在夏季升高反映微生物磷需求。土壤深度是结构性约束，免耕使残体留表，0–10 cm生物活性远强于10–20 cm；亚表层仅在春季活根输入时短暂响应。指标层面，微生物量和PMC响应快，POXC和ACE蛋白未因十年覆盖种植发生显著改变，说明加工态C和受保护有机N库尚未越过稳定化阈值；酶组中AP最敏感。管理上，单时点采样会低估覆盖作物效应，土壤健康评估应按季节和深度分层，并以多指标框架评价。

研究结论部分翻译：这项长期田间研究表明，黑麦覆盖种植增强了免耕玉米–大豆系统的土壤生物功能，但表现为时间动态和空间结构化。土壤微生物量和PMC对覆盖种植响应最稳定，尤其在春季活根向土壤微生物提供易利用底物时。相反，酶活性表现出更强的指标特异性和季节依赖性，AP活性在夏季达峰并在覆盖种植下增强。各指标生物响应集中于0–10 cm土层，反映免耕管理下有机输入和根活动的分层。黑麦并未产生全年均匀的土壤生物性状提升，而是放大了春季根际过程和现金作物生长季残体介导养分循环所关联的微生物活动季节脉冲。这些发现强调，在评估覆盖作物管理的土壤生物响应时，必须考虑采样时间、土壤深度和指标选择。长期黑麦采用可强化生物介导的C和养分循环，但其效应最好在具有季节认知的土壤生态过程框架中理解。

论文发表于《Soil Science Society of America Journal》。