有机轮作中覆盖作物根系性状和碳输入

导  读

在经济作物种植过程中，覆盖作物被广泛应用于增加土壤有机碳含量。

编译：赵思璇、李颖

摘要

在经济作物种植过程中，覆盖作物被广泛应用于增加土壤有机碳含量。根系在增加土壤有机碳（SOC，soil organic carbon）的过程中起到关键作用，而不同种类的覆盖作物根系性状对土壤有机碳的影响还尚不清楚。研究者对三种不同覆盖作物的单作及其混作模式进行了研究，测量了根系数量、质量和分布以更好地理解根系性状和设计混作模型。覆盖作物选取了黑小麦、芥菜（canola）和绛三叶，三种覆盖作物混合组成了混作模式。

试验中，黑小麦在单作种植中根重更大，混作模式在0-5cm深度范围的根重均比绛三叶重。绛三叶单作所产生的根重较少，因此与禾本科类或芸薹属类覆盖作物混作可提升总根重和根系分布情况，和禾本科作物单作相比，此种混作还降低了根系碳氮比。混合种植都有益于碳元素的输入和积累，这是覆盖作物自身碳量上升及影响接茬经济作物碳含量的结果。

介绍

增加土壤有机碳是覆盖作物的首要作用，有研究表明，相较于地上部分，根系碳输入对土壤有机碳含量的影响更大。因此，了解覆盖作物的根系性状有助于更好地应用覆盖作物。

相较于非豆科作物的单一种植，混合种植两种及以上的不同种覆盖作物近年来开始应用于增加地上部分产量及降低地上部分碳氮比。基于地上部分的研究表明，尽管非豆科覆盖作物的混作对生物量的影响并不显著，但和产量较低的豆科植物相比，其碳氮比有所降低。对混作模式中根系的研究能让我们更好地理解覆盖作物混作带来的优势。

有研究表明，大麦和豌豆的间作有利益改善大麦的根系分布。另一项研究中，大麦和毛叶苕子的间作模式下，大麦的根长密度（RLD）和根系深度相较于单一种植有所增加——在0.8-1.2米的深度下，大麦的根长密度比单一种植高。因此，覆盖作物混作对根系生物量、水平及垂直方向根系分布、碳氮比有一定的影响潜力。

本研究中选用的三种覆盖作物：黑小麦（禾本科）、芥菜（十字花科）和绛三叶（豆科）有着不同的根系性状。黑小麦为单子叶植物，根系为须根系，而芥菜和绛三叶为双子叶植物，则有能够二次生长的直根。另外，绛三叶所属的豆科，可以固定环境中的氮元素。在混作系统中，单子叶和双子叶植物根系结构的差异可能有利于土壤空间的利用。而豆科和非豆科作物对于氮元素的互补性需求机制也可以降低单一非豆科作物种植的根系碳氮比。

本试验的目标有以下三点：一是研究三种越冬覆盖作物（绛三叶、芥菜、黑小麦）的根系特性；二是验证混作是否可以起到提升根重和质量的作用；三是测定在有机冬小麦-大豆轮作模式中，覆盖作物和经济作物根系碳输入在总碳输入中的占比。

试验设计

本试验在Russell E. Larson 农业研究中心的玉米-大豆-冬小麦有机农场进行，试验处理为黑小麦、芥菜、绛三叶单作及其混作，覆盖作物样本于2016.11.14及2017.5.2收集，测量值包括根冠比、不同土层深度的根系生物量、行内及行间根系分布量、5-20cm间的根系碳氮比、收获指数（累积碳输入量）。

结果

根系性状 

图1. 覆盖作物冬前及开春根系及地上部分含碳量。

不同覆盖作物的秋季根系碳含量有所不同，黑小麦在浅层土壤（0-5cm）根系含碳量较高，且整体根系（0-40cm）含碳量高于绛三叶，黑小麦根冠比在不同对照件最高。另外，行间根系碳含量在不同土层深度也因对照而异。黑小麦的行间根系含碳量在不同处理中最高，相较于其他对照，黑小麦的根系在行间和行内的分布更加平均。

此次试验受到明显的季节互作影响，对照间碳氮比有所不同。绛三叶的根系碳氮比最高而黑小麦最高，这和假设是一致的。黑小麦和绛三叶的根系碳氮比均高于地上部分碳氮比，而芥菜的根系碳氮比在来年春季低于地上部分。

积累的碳输入

图2. 一轮完整轮作（三年）过程中各试验处理的平均累积碳收益。字母代表轮作结束时各组累积碳收益的显著性差异（P<0.05）

三年的有机轮作后，碳输入的范围为 14.8-22.1 Mg • C/ha。不同对照间的差异主要源于覆盖作物碳输入及覆盖作物影响下玉米的碳输入。由三种覆盖作物混作带来的碳收益在2016-2017年度是最高的，且和黑小麦单一种植相比，为玉米提供的碳输入也偏高。总的来说，不同的混种模式提供的碳收益高于其他处理。

讨论

1.根系性状因覆盖作物品种而异

图3. 四种不同覆盖作物系统的根系分布模型，包括（从左向右）黑小麦，绛三叶，芥菜以及混作系统。

黑小麦的根系生物量在秋季及第二年春季均高于绛三叶，这和禾本科覆盖作物根系生物量通常高于普通越冬豆科覆盖作物的结论是一致的。根据黑小麦地上部分生物量的估计，其根系生物量超出预期。禾本科作物在地上部分生物量较低的情况下，根系产量较为可观。

本试验中一个重要的发现是：黑小麦在行间的根系分布量较高。在一项间作系统试验中，研究者也发现了同样的规律。这样的根系分布方式可能是禾本科作物相较于双子叶作物可以更好地抑制杂草生长的原因。另外，此次试验中，绛三叶的根系生物量及行间根系量均偏低。尽管黑小麦的碳氮比较高，但却抑制了玉米的产量。

2.混作对覆盖作物根系的影响

混作模式下的根系生物量均比绛三叶单作要高，但相较于芥菜单作并没有明显的改善，另外黑小麦在混作模式下的比重很小，故其影响也不完全明了。禾本科-豆科的混作模式需要进一步的研究，以检测禾本科是否可以提高行间根系分布量。但能够确定的是，和黑小麦单作相比，混作模式下碳氮比有所降低，提高了接茬谷物的产量。

3.根系输入向积累碳收益的转化

覆盖作物不仅可以影响土壤碳素的积累，也对后续经济作物的碳输入有所影响。覆盖作物对经济作物碳素的输入影响源于氮素供给的限制，在有机农业系统中，氮素供给受限的情况下，影响较大。

混作模式下土壤有机碳含量有所上升。另外，在轮作中，覆盖作物根系的不同形状通过碳输入及影响后续经济作物生长来影响总碳输入。

结论

本试验中的几个重点结论为如下，黑小麦行间根系分布及秋季根冠比较高；豆科作物与芸薹属及禾本科作物混作提高了总体的根系生物量，但同时也抬高了碳氮比。然而由于高劳动力成本的影响，研究根系的实验往往受到制约，本试验的不足之处在于只反应了一年的根系变化，仍存在潜在的争议，有待未来进一步的深入研究。

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