机械与生物松土对长期免耕种植系统土壤有机碳储量，根系生长和作物产量的影响

导     读

这项研究证明了在这类长期免耕的土地上，间作萝卜以避免土壤干扰是一种替代机械松土的合适选择。生物松土明显提高了土壤有机碳储量、大豆和小麦根系的生长（长度和质量）以及累积的农作物产量和生物碳量输入。

原文：Inagaki, Thiago Massao, et al. "Mechanical and biological chiseling impacts on soil organic C stocks, root growth, and crop yield in a long-term no-till system." Soil and Tillage Research 211 (2021): 104993.

翻译：韦伊瑶，李颖

来源：再生农业 Regenerative Ag公号（2021年）

01/背景介绍

免耕种植系统一直是提高土壤有机碳储量、作物产量和农业可持续性的重要措施，特别是在热带和亚热带农业生态系统中。巴西北部的免耕土地面积超过了3200万公顷，约占该国谷物生产面积的54% 。但是，其中一些区域不符合世界粮农组织定义的不犁地、土壤长期被作物残留物、植被和农作物覆盖等免耕原则，这导致了这些地区的出现不同程度的土壤压实问题。一项对来自不同地区的358名巴西农民的普查显示，68％的农民承认他们在所谓的“免耕”地区使用了机械并对土壤产生扰动。由于缺乏管制，农民会使用更大更重的机器，这使得土壤压实成为全世界耕地面临的主要问题。机械松土的效率已经受到了质疑，因为它对土壤结构和农作物产量似乎没有正面影响，或者只有暂时的好处。但是，这种措施仍被农民广泛采用来减轻土壤压实问题。

由于热带和亚热带农业地区，尤其是南美洲的土壤有很强的固碳能力，所以被认为有望实现碳补偿。另一方面，这些土地的脆弱性会导致土壤有机碳枯竭，特别是由于不适当的土壤使用和管理，所以这种潜力很容易被削弱。种植深根覆盖作物而避免机械干扰被认为是一种有益于保持土壤结构的措施，并且它对巴西耕地土壤的物理性质的影响已经被评估。有研究指出，种植深根覆盖作物对土壤结构没有有害影响，所以可以成为一种更可持续的替代机械耕作的措施。但是，它对土壤有机碳库储量的影响仍然未知，尤其是在热带和亚热带地区。

作者假设，在作物轮作中种植深根作物可能是替代在免耕地使用机械松土的合适措施。这项研究中的目的是评估随着时间的推移，在长期免耕系统中使用机械松土对土壤有机碳库储量【土壤有机碳总量，微生物相关碳（microbial-related C ）包括高锰酸盐可氧化有机碳（permanganate oxidizing organic C, POXC）和热水可提取性有机碳（hot water extraction organic  C, HWEOC）】的影响变化，并寻找更具可持续性的松土措施，比如种植覆盖作物（下文中称为生物松土）。

图1 实验地区与设计

02/研究方法

· 实验地区

该研究在巴西南部巴拉那州的蓬塔格罗萨州立大学的农场进行。该地区的主要气候类型是温带海洋性气候，年平均降雨量为1500 mm，平均海拔为970 m，平均最低和最高温度分别为13和22摄氏度。在实验开始之前，该地区已经使用了超过18年的免耕耕作措施（图1）。该地区采用了以下轮作措施：春季/夏季种玉米 (Zea mays L.) 或大豆 (Glycine max L.) ，秋季/冬季种植小麦间作粗燕麦 (Avena strigose Schreb) +野豌豆 (Vicia sativa L.)。

· 实验设计

该实验开始于2009年5月，根据随机区组设计，共有四个区组和三种处理措施 （图1）。作者在一个实行了18年的免耕耕作的系统中，对比机械松土与轮作种植萝卜（生物松土）的影响。在这里，它们分别被称为免耕-机械松土(NT-MC)以及免耕-生物松土(NT-BC)。三种处理措施分别是：1. 免耕-覆盖作物（NT-CC）：免耕且无任何机械干扰，冬季种植粗燕麦+野豌豆；2. 免耕-机械松土(NT-MC)：免耕但机械松土的深度达25厘米，冬季种植粗燕麦+野豌豆。3. 免耕-生物松土(NT-BC)：免耕且无任何机械干扰，种植粗燕麦+萝卜 (Raphanus Sativus L.)。除NT-BC外，所有种植的作物都是春季/夏季玉米或大豆，秋季/冬季小麦并间作粗燕麦+野豌豆，而在NT-BC中，冬季用萝卜代替了野豌豆。尽管萝卜并没有像机械那样“凿”土壤，但在这里作者仍使用“生物开凿”（也就是生物松土）一词来说明可以使用作物替代机械松土的常规措施。

NT-MC处理是在2009年5月使用深耕犁进行的，并在冬季作物播种前两天进行松土，该机械具有5个抛物线型刀片，彼此间隔0.25 米，开凿深度达到了0.25 米。松土时土壤的平均水分为0.29 千克/千克，低于田间持水量0.38 千克/千克。在NT-BC处理中，萝卜的播种密度为每平方米130粒种子和0.17 米的行间距。NT-CC和NT-BC处理中没有对土壤进行机械干扰。

图2 2009年至2013年0至30厘米土层土壤有机碳、HWEOC、POXC固定率；箱形图代表了上四分位数、中位数、下四分位数；红线代表了固碳率为0；固碳率是通过2009年10月与2013年3月土壤有机碳库储量差异计算的

03/研究结果

·松土对土壤有机碳库和农艺的影响

松土处理（NT-BC与NT-MC）对作物产量和生物碳输入、土壤有机碳储量以及大豆和小麦的根系生长有很大的影响。短期内（5个月），松土操作的影响并不显著，但在42个月后会变得非常明显。松土以及松土与深度相互作用的影响对碳固定率和土壤有机碳的得失尤其重要（图2）。作者观察到松土与深度对大豆和小麦根部发育有着显著影响。在这种情况下，松土操作影响了根在0-10 厘米处的发育，但松土没有影响到更深的土层（图3）。

· 作物产量和生物碳输入

总体而言，通过 2009年至2013年的评估，作者发现使用NT-BC处理田地的累计作物产量和生物碳输入量明显高于NT-MC。在累积作物产量上，NT-BC平均比NT-MC增产3062千克/公顷。对于累积的生物碳输入量，该差异为2295千克/公顷。与NT-MC相比，NT-CC有高得多的生物碳输入量，但与NT-BC没有明显差异。

这些累积率的显著差异主要通过实验期间种植2次的玉米产量和生物量的差异体现。此外，NT-BC处理下，粗燕麦的生物量明显高于NT-MC。而对于大豆和小麦的产量和生物量，作者未观察到显著差异。

· 土壤有机碳储量和固定率

通过土壤采样可以发现，NT-BC处理提高了土壤有机碳库（土壤有机碳总量、HWEOC和POXC）在0-30厘米深处的储量和固碳率（图3）。对于土壤有机碳总储量，NT-MC处理导致了-0.41 毫克/公顷*年的负固定率，而NT-BC处理导致了1.29 毫克/公顷*年的正固定率（图2）。

对于微生物相关有机物替代变量HWEOC和POXC，不同处理之间的差异更加突出。NT-BC促进的固定率明显高于NT-CC，而后者明显高于NT-MC（图2）。NT-BC处理对于0-30 厘米深的土层POXC和HWEOC的正固定率分别为0.92 毫克/公顷和0.17 毫克/公顷。另一方面，NT-MC处理对POXC和HWEOC的负固定率分别为-0.33 毫克/公顷和-0.15 毫克/公顷。

位于0-30 厘米土层的这些显著差异主要是由0-10 cm深度的差异推动的。短期内（5个月），松土操作没有显著影响，但42个月后会变得格外明显。作者观察到松土五个月后（即2009年10月首次取样），总体上没有观察到有机碳储量的差异。但是，在42个月后（2013年3月抽样），他们观察到有机碳储量有着明显差异，而这是有机碳固定率的差异导致的。

· 根系生长

与其他处理相比，NT-BC处理增加了大豆和小麦在0-10 厘米深处根的质量和长度（图3）。NT-BC和NT-MC处理的小麦根质量和长度差异分别为0.64 毫克/立方厘米土壤和0.94 cm毫克/立方厘米土壤。到了10-20厘米和20-30 厘米的深度，没有发现两个处理的差异。除HWEOC以外，在0-30 厘米土层的根的变量（质量和长度）与土壤有机碳库之间有明显的相关性。

图3长期免耕地中进行机械松土和生物松土对大豆和小麦根系干质量和长度的影响

04/讨论

· 松土对土壤有机碳的影响

尽管已经有研究证明偶尔机械耕作会对全球长期免耕区的土壤有机碳储量产生总体温和的影响，但这项研究的结果引起了人们对机械耕作的担忧，特别是在风化严重的地区。土壤有机碳固定率的显著差异表明，机械松土对长期免耕地的表土（0-30厘米深度）具有有害影响。POXC和HWEOC固定率差异较大，表明机械松土对微生物生物量和多糖相关的有机物质有较大影响。目前尚无专门针对偶然机械耕作与其他长期耕作系统（例如减耕）进行比较的研究。但是这项研究证明了随着时间的推移，机械松土会减少了土壤有机碳的固定，而且在轮作中种植深根作物可以明显增加土壤有机碳储量（图2）。同时，作者也证明了与在免耕田中机械松土相比，种植萝卜进行生物松土可以明显提高土壤有机碳储量，并且不会造成有害影响。

· 生物松土对作物产量和根系生长的好处

作者强调在长期免耕田中采用生物松土可以作为可持续的替代方法来促进根系生长并保持土壤有机碳含量（图4）。尽管该研究实验区的生物碳输入量很高且土壤肥力很高，但机械松土仍然明显降低玉米的产量。南美洲的热带和亚热带免耕区土壤有很高的碳固定潜力。但如果不采取适当的管理措施，土壤有机碳储量也很容易流失。因此，作者认为生物松土可以代替机械松土成为热带农业更有利可图的措施。

图4研究主要结果

05/总结

这项研究证明了在这类长期免耕的土地上，间作萝卜以避免土壤干扰是一种替代机械松土的合适选择。生物松土明显提高了土壤有机碳储量、大豆和小麦根系的生长（长度和质量）以及累积的农作物产量和生物碳量输入。尽管在短期（5个月）内未观察到土壤有机碳库储量的差异，但这些差异在42个月后变得非常明显。因此，作者认为需要在不同时期评估土壤有机碳库储量变化，以更全面地了解土壤管理的效果。与没有任何松土处理的对照组相比，免耕-生物松土明显增加了热水可提取性有机碳（hot water extraction organic  C, HWEOC）和高锰酸盐可氧化有机碳（permanganate oxidizing organic C, POXC），并促进了大豆和小麦的根系生长。然而，在免耕-机械松土处理下，这些参数会随着时间的推移减少。由于热水可提取性有机碳和高锰酸盐可氧化有机碳作为微生物相关有机物的替代变量可以用来监测土壤管理，除了土壤有机碳总量外，作者也建议可以使用这些参数或者其他更敏感的参数来评估土壤健康的变化。

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