对于土壤健康，轮作和单作差别在哪里？

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对于土壤健康，轮作和单作差别在哪里？

Original 陈能场编译土壤家 2021-04-27

导读

研究者从微生物水平上证明大豆-玉米轮作有助于土壤健康。

译者:陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家）

网址：https://phys.org/news/2020-06-year-field-rotate-corn-soil.html

原题：20-year field experiment: Rotate corn for better soil health

时间：2020年6月17日

出处：伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校

伊利诺伊大学的研究人员利用一项20年的田间实验，证明连续的玉米单作会导致土壤健康状况恶化。图片来源：伊利诺伊大学Lauren D. Quinn

土壤微生物是土壤健康活的、工作的晴雨表。他们负责将大气中的氮转化为植物可以使用的形式，并负责将氮释放回空气中。农场管理决策无疑会影响这些微观工作，但是直到现在，科学家们还没有全面了解作物轮作和耕作如何影响土壤微生物组。

“大多数关于土壤微生物健康的研究都是在实验室或温室环境中进行的，或者是在短期田间试验中进行的。在伊利诺伊州，我们有一个绝佳的机会来研究长期农场管理对土壤的影响，”他说。伊利诺伊大学作物科学系副教授玛丽亚·维拉米尔（Maria Villamil）说，她是《全面环境科学》（ Science of the Total Environment）上发表的这项新研究的合著者。

利用20年的田间试验，伊利诺伊州的作物科学家证明了与玉米连续种植相关的重大风险，无论是土壤微生物群落还是更大规模的环境健康。

该研究的主要作者、作物科学博士后研究员贝恩克（Gevan Behnke）说：“为了保持连续玉米的产量水平，需要更多的无机氮，从而加剧氮循环，造成危险的循环。”，“结果是土壤酸化，氮损失和有害一氧化二氮排放的潜在增加。”

研究人员发现，用大豆和玉米轮作，一年或更长时间就可以减轻这种影响。

伊利诺伊州的作物科学家于1996年首先在试验场种植了玉米和大豆，其中一些田地种植连续玉米，另一些田地种植连续大豆，另一些田地每年进行轮作。在每个种植系统中，田地要么每年免耕，要么进行凿子耕作（chisel-tilled ）。

chisel-tilled（译者所加，源于网络）

贝恩克分析了2015年和2016年从每种田间类型中获取的土壤样品，提取了DNA并测量了理化性质。

“DNA分析很重要，因为很多问题都与氮循环有关，无论是一氧化二氮的排放、硝酸盐向水体的浸出，还是土壤中氮的毒性积聚，” Behnke说。“因此，我们研究了与固定、硝化和反硝化有关的基因和微生物群。”

微生物硝化过程将铵转化为硝酸盐，硝酸盐是一种与径流和浸出有关的更易流动的形式。另一方面，反硝化会将硝酸盐转变成气态形式，包括一氧化氮和一氧化二氮，这些是有温室效应效的气体。

综合所有数据，研究人员发现连续玉米增加了土壤有机质和酸度，并导致参与硝化作用和反硝化作用的微生物数量增加。研究人员在连续大豆中发现了相反的模式，在玉米-大豆轮作中获得了中间结果。

贝恩克说：“以前的研究表明玉米连续种植会释放出更多的温室气体，但是我们的研究在微生物水平上解释了其机理。”, “很高兴看到我们的结果如此匹配。”

免耕管理增加了土壤有机质，导致土壤更酸性，并且细菌数量增加，这些细菌将铵转化为硝酸盐。

贝恩克说：“在免耕田地中氮留在土壤上，而耕作实际上可以将氮扩散到整个地表10厘米。但是，耕作本身并不能像轮作一样能强烈地驱动微生物丰度。” “最终，减少玉米年限将有助于减少连续玉米对土壤健康的负面影响。”

这一首创的研究不仅为农艺系统土壤健康提供了重要的基础信息，也为今后的研究奠定了基础。

维拉米尔（Villamil）的大型研究计划旨在了解当覆盖玉米和大豆轮作后，覆盖作物如何影响土壤微生物活性。她的团队最近发表了关于该主题的现有研究的分析，并完成了两年的长期采样，其中包括长期覆盖作物。

“大的方面来说，我们正在研究是否有潜力操纵土壤健康和覆盖作物的微生物。在伊利诺伊州，我们有点被迫接受玉米和大豆系统。我们的结果表明，玉米和大豆交替轮作可能会有所帮助，但它们实际上是非常相似的农作物，都非常采摘。”维拉米尔说。“我们需要在时间上或在空间上增加农作物的多样性，我认为目前农作物是我们目前的解决方案之一。我们需要提高认识。”

她补充说，无论采用哪种方法，改善土壤健康都至关重要。

“土壤健康与环境健康有很多联系，主要是通过控制温室气体，但也与人类健康有关。最近的研究发现土壤微生物多样性与人类微生物组之间存在相关性。因此，非常需要真正了解土壤健康在不同环境中的作用。农业环境，因为它们与环境健康以及潜在的人类健康有着密切的联系，”她说。“健康的土壤支持健康的生活。”

论文“Acidification in corn monocultures favor fungi, ammonia oxidizing bacteria, and nirK-denitrifier groups”已经发表在《全面环境科学》上。