旱地轮作与水凝胶施用对土壤生物学性质及小麦生物量生产的影响

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Effects of Crop Rotation and Hydrogel Application on Soil Biological Properties and Wheat Biomass Production in Drylands

　　

摘要 背景与目的：保护性农业（Conservation Agriculture, CA）正迅速推广以促进可持续作物生产，其核心原则包括最小程度扰动土壤、永久性土壤覆盖以及合理的作物轮作。此外，水凝胶（hydrogel）越来越多地被用于改善土壤保水性，包括与保护性农业相结合的应用，尤其是在水分受限的农业生态系统中。保护性农业往往能提高土壤有机质含量——这是土壤健康的主要指标之一——但其对土壤生物学的影响，以及其与水凝胶施用之间可能存在的交互作用，目前尚不清楚。 方法：研究人员开展了一项生长室（growth chamber）实验，以评估在雨养旱地系统中，作物轮作与水凝胶添加相结合对土壤生物学性质和小麦生物量生产的影响。实验设计包括一个休耕地（fallow）、四种作物轮作、两种水凝胶处理和两种灌溉处理，并跨越两个生长季实施。 结果：在第一个生长季，作物处理与水凝胶添加对土壤全碳（C）、全氮（N）和全磷（P）含量产生了交互效应。此外，与休耕和小麦–小麦处理相比，豆科作物轮作具有更高的微生物生物标志物含量，而水凝胶提高了微生物生物标志物含量，并在小麦中增强了土壤全磷含量和生物量生产。在第二阶段（仅种植小麦），研究人员发现，在未施用水凝胶的情况下，与苜蓿和豌豆轮作的小麦生物量更高（总地上部生物量分别为1.25 ± 0.07 g和1.17 ± 0.09 g），而小麦–小麦轮作则较低（0.37 ± 0.02 g），尽管休耕–小麦轮作中观察到了更高的生物量（1.83 ± 0.46 g）。令人意外的是，在环境条件下，水凝胶使小麦–小麦轮作中的小麦生物量增加了191.9%，这似乎是通过缓解小麦单作种植的负面影响实现的。具体而言，在未施用水凝胶的小麦–小麦处理中，研究人员观察到极高的微生物生物量碳氮比（43.05 ± 18），表明微生物可能受到氮限制。 结论：总体而言，与旱地土壤中的休耕和单作系统相比，作物轮作（尤其是苜蓿–小麦轮作）对促进小麦生物量生产和改善土壤生物学性质具有积极影响。此外，水凝胶对生物量生产和土壤健康指标产生的强烈正效应令人意外，但应作为一种可持续管理方法进一步探索。研究结果表明，作物轮作在促进可持续农业管理和土壤健康方面可以发挥重要作用，而水凝胶施用可能在改善谷物作物生产方面有效，尤其是在水资源有限的旱地地区。

论文解读

一、研究背景与目的

全球近80%的耕地用于旱地农业系统，提供了约60%的全球作物产量。旱地生态系统还支撑着全球约三分之一的土壤生物多样性，并储存着重要的土壤有机碳（SOC）库，在调节温室气体排放和维持土壤储水方面发挥着关键作用。然而，水分胁迫影响着全球近40%的农业用地，是制约作物生产力的主要因素，尤其在旱地地区尤为突出。此外，传统耕作和过量化学投入等集约化农业方式导致了土壤侵蚀、土壤碳大量损失、土壤贫瘠化以及土壤储水能力下降。旱地生态系统的持续退化，加上全球降雨格局的预期变化，对不断增长的全球人口的粮食安全构成了重大关切。

保护性农业（CA）被认为是一种有前景的可持续管理实践，基于三项主要原则：零耕作或最小土壤扰动、永久性土壤覆盖以及多样化的作物轮作与种植。覆盖作物或作物残体通过增加植物种类多样性和植物源输入，在影响土壤性质和调控土壤生物学方面发挥着重要作用。豆科植物作为覆盖作物可以增加土壤全碳、微生物生物量氮（MBN）和根系生物量，并在免耕系统中提高土壤有机质含量。此外，高吸水性聚合物（SAP），即水凝胶，作为农业用途的保水材料，通过改善土壤保水性为提升旱地作物生产提供了额外途径。水凝胶能够吸收大量水分并逐步释放供植物吸收，减少蒸发并增加植物可利用的有效水含量，从而延长植物存活时间，并增强微生物活性和养分有效性，尤其是在干旱期间。

然而，目前仍缺乏足够的研究来探究覆盖作物与水凝胶施用相结合对旱地生态系统土壤性质和作物生产的综合效应。本研究旨在评估在保护性农业管理下，作物轮作与水凝胶施用相结合对旱地生态系统土壤化学和生物学性质的影响，及其在包括干旱条件在内的情境下增强小麦生物量生产的潜力。研究假设是：豆科覆盖作物和水凝胶施用将通过改善土壤氮含量、微生物生物量和土壤有机质含量，以及增加土壤保水性，从而促进旱地小麦生物量生产；且豆科作物与水凝胶的联合效应有望改善土壤生物学性质并增加小麦生物量生产，尤其是在干旱条件下。

二、研究设计与关键方法

本研究在澳大利亚新南威尔士州Trangie农业研究中心采集表层土壤（0–15 cm），土壤类型为壤质砂质黏壤土（Loamic–Sandy Clay Loam），属于半干旱气候，年均降雨量496.4 mm，年均温度24.7°C。实验于2022年3月中旬在西悉尼大学Hawkesbury环境研究所的生长室中进行，采用全因子实验设计，包含五种作物轮作处理（休耕、苜蓿、油菜、豌豆、小麦）、两种水凝胶处理（有/无）和两种灌溉处理（对照、短期水分胁迫），各设五次重复，共100个实验单元。实验跨越两个为期3个月的生长季：第一阶段种植休耕、覆盖作物或小麦，第二阶段所有单元统一种植小麦。关键方法包括：磷脂脂肪酸（PLFA）分析用于表征土壤微生物群落结构；氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）；LECO TruMac CN分析仪测定土壤全碳和全氮；酸消解结合AQ2离散分析仪测定土壤全磷；2 M KCl提取测定土壤无机氮；植物生物量经70°C烘干72小时后称重测定。

三、研究结果

3.1 第一阶段水凝胶对生物量生产和土壤变量的影响

在第一阶段，总地上部生物量受到水凝胶×作物处理交互作用的显著影响。小麦在添加水凝胶后生物量显著提高，而油菜则呈现相反趋势，未施用水凝胶时生物量更高。土壤全碳、全氮和全磷含量在小麦–小麦轮作中因水凝胶添加而显著增加，而覆盖作物处理中水凝胶未造成显著差异。水凝胶对任何覆盖作物的土壤水分均无显著影响。总PLFA在水凝胶添加处理中高出25%，尤其在豌豆和小麦–小麦处理中增幅较大，表明水凝胶对土壤微生物生物量具有普遍的正效应。

3.2 第二阶段作物轮作和水凝胶对小麦生物量生产的影响

在第二阶段，小麦总生物量受作物轮作的显著影响。油菜–小麦轮作在所有处理中产生的生物量最低，而豌豆、苜蓿和休耕在环境降雨处理中对小麦生物量生产具有积极影响。地上部生物量在苜蓿–小麦、豌豆–小麦和休耕–小麦轮作中显著高于油菜–小麦和小麦–小麦轮作。总根生物量受覆盖作物显著影响，豌豆–小麦、休耕–小麦和苜蓿–小麦轮作的根生物量高于其他轮作。穗生物量在苜蓿–小麦、豌豆–小麦和休耕–小麦轮作中显著更高，而油菜–小麦和小麦–小麦轮作（尤其未施用水凝胶时）的穗生物量最低。叶片氮浓度受覆盖作物以及水凝胶×灌溉处理交互作用的显著影响。值得注意的是，在环境条件下，水凝胶使小麦–小麦轮作中的小麦生物量增加了191.9%，使其达到与豆科轮作相当的水平，表明水凝胶缓解了小麦单作种植的负面效应。

3.3 第二阶段作物轮作和水凝胶对土壤性质的影响

在第二阶段，环境灌溉条件下的土壤含水量显著高于干旱处理，而水凝胶对土壤含水量无显著影响。油菜–小麦和小麦–小麦轮作在环境灌溉下具有较高的土壤含水量。土壤全碳受水凝胶×覆盖作物交互作用的显著影响：在干旱条件下，施用水凝胶的小麦–小麦轮作土壤全碳最高，而未施用水凝胶的小麦–小麦轮作在对照灌溉下土壤全碳最低；水凝胶在干旱条件下显著降低了油菜–小麦轮作的土壤全碳。覆盖作物对土壤全氮无显著影响。土壤无机氮表现出时间×作物轮作×水凝胶的显著三向交互作用，其中苜蓿–小麦和油菜–小麦在干旱后施用水凝胶的处理中无机氮含量最高。

3.4 第二阶段作物轮作和水凝胶对微生物生物量碳氮的影响

在第二阶段收获后，微生物生物量碳在不同作物轮作间差异显著，油菜–小麦和苜蓿–小麦轮作的MBC含量高于其他轮作。微生物生物量氮受作物轮作、灌溉处理以及覆盖作物×水凝胶交互作用的显著影响。水凝胶对小麦的影响尤为显著：在环境条件下，施用水凝胶的小麦–小麦处理MBN含量高于未施用水凝胶的处理。微生物生物量碳氮比（MBC:MBN）受水凝胶处理的显著影响，主要驱动因素是未施用水凝胶的小麦–小麦处理具有极高的MBC:MBN比值（43.05 ± 18），表明微生物可能处于氮限制状态。

四、讨论与结论

讨论部分总结：研究结果支持了豆科覆盖作物（尤其是苜蓿和豌豆）相对于单作系统在提高小麦总生物量和穗数方面的优势，这主要归因于豆科植物的固氮能力及其对土壤生物活性的间接促进作用。油菜–小麦轮作中尽管土壤含水量较高，但小麦生物量较低，可能原因是油菜在第一阶段产生了较高的微生物指标（总PLFA和全碳），这些增加的微生物库在第二阶段驱动了强烈的微生物氮固持，减少了植物可利用氮，从而限制了小麦生长。水凝胶对小麦–小麦轮作的强正效应可能源于其模拟根系分泌的黏液效应，改善根际保水性和离子交换过程，增强微生物活性并提高养分有效性。小麦作为经过改良的作物，根系结构相对简化，水凝胶的保水作用对其尤为重要。在土壤性质方面，水凝胶通过增强土壤保水性改善了根系建立和有机质积累，支持了微生物活动和残体分解，从而增加了土壤碳输入。作物轮作对土壤无机氮的影响表明轮作多样性可以改变养分循环和即时氮库，豆科轮作有助于提高土壤氮有效性和循环效率。然而，土壤全氮在第二阶段未表现出显著差异，这与短期研究中氮库变化的瞬态特征一致，可测量的全氮变化通常需要更长时间才能显现。PLFA分析表明水凝胶显著增加了微生物生物量，但PLFA含量与第二阶段小麦生物量之间未发现显著关系，增加的微生物生物量可能导致养分固持。小麦–小麦轮作中极高的MBC:MBN比值反映了微生物群落结构的变化，表明连续种植小麦且缺乏轮作多样性时，微生物和植物均可能受到氮限制，而水凝胶的施用有效缓解了这种限制。

结论翻译：作物轮作被证明是相对于单作而言对土壤健康和作物产量都有益的管理策略，即使在干旱条件下也是如此。作物轮作对土壤生物学和化学的各个方面产生了不同影响，并有证据表明与小麦生物量生产的变化相关。在测试的覆盖作物中，苜蓿和豌豆在第一阶段显著提高了小麦生物量，其中苜蓿–小麦轮作在第二阶段仅经过一个周期后就显示出土壤性质和作物生产力的最大改善。特别是，小麦–小麦轮作中的微生物生物量氮低于其他覆盖作物处理，这可能表明小麦作物对氮的需求较高。然而，在两种灌溉处理中，施用水凝胶的小麦–小麦处理的MBN显著增加。水凝胶施用显著增加了小麦–小麦轮作中的土壤全碳和小麦生物量，但在豆科轮作中未显示效果，表明其在改善旱地谷物生产方面具有潜力。需要进一步研究以评估作物轮作和水凝胶施用对土壤生物学、化学和作物生产力的长期影响。