覆盖作物播种量和多样性对土壤健康的影响——第一期

转载自 再生农业 Regenerative Ag公号（2021年7月5日）

覆盖作物与土壤健康

覆盖作物播种量和多样性对土壤健康的影响

原文作者：Shirley Fowler, Margaret Smither-Kopperl

编译：韦伊瑶

校正：伍倩仪

原文链接：

https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/national/climatechange/?cid=stelprdb1077238#:~:text=Cover%20crops%20have%20the%20potential,along%20with%20various%20other%20benefits

覆盖作物是一种有效的保护性耕作措施，它可以减少土壤侵蚀、改善土壤、增加养分、抑制杂草、提高可土壤水含量和打破害虫循环等好处，对土壤健康和耕地可持续性有着积极的影响。但是覆盖作物的效益会受到气候的影响，所选择的种类及其管理也决定了其收益和回报。因此，美国自然资源保护局开展了一项全国性的覆盖作物研究项目，旨在评估覆盖作物的播种量和多样性对土壤健康的影响。研究分别在加州、佛罗里达州、马里兰州、密苏里州、北达科他州、俄勒冈州和华盛顿州进行，这项研究的年度报告有助于跟踪覆盖作物在美国各地的种植情况和对土壤健康的影响。

实验设计为完全随机区组设计，共有4个区组，2个因素 （覆盖作物多样性和播种量）。三类覆盖作物混合物的组合，代表不同的多样性，覆盖作物包括黑麦、绛三叶、萝卜、毛苕子、油菜和燕麦(表1)。此外，为了评估播种量的影响，研究人员分别以每平方英尺播种20、40和60粒种子的播种量进行播种。除这9个组别外，每个区还有一个对照组。覆盖作物在秋季种下，玉米作为主要作物在夏季种下。各地的植物中心对土壤和植物进行定期的采样和监测，以确定不同的处理对植物覆盖、物种组成和总生物量的影响。关于土壤性质、肥力和生物活性的样本采集则在覆盖作物种植和灭茬时进行。

图：2014年1月6日，在播种率为每平方英尺60粒的情况下，2、4和6个物种组成的三种覆盖作物混合物的生长情况。（作者：Shirley Fowler, Margaret Smither-Kopperl）

第一期：加利福尼亚州的案例分析 

实验结果：

覆盖作物的地上生长情况

播种后，种子发芽并迅速生长，为土壤提供覆盖。30天时，所有组别的覆盖率在40 - 50%之间(图1)。60天后，2种作物混合物的覆盖度为85%，4种作物混合物的覆盖度为90%，6种作物混合物的覆盖度为95%。60 天时，播种量也影响了覆盖率，播种量为20粒/平方英尺的覆盖率为85%，播种量为40粒/平方英尺的覆盖率为90%，而播种量为60粒/平方英尺的覆盖率为95%。所有组别的冠层在90天左右时闭合。

图1：在2012和2013年，由2、4和6个物种组成的三种覆盖作物混合物和三种播种量对覆盖率的影响。

在萝卜接近成熟但谷物尚未成熟时会对覆盖作物进行了灭茬。对照组和2种作物混合组的地上生物量最低(表1，图2a)。生物量值最高的是4和6种作物混合组，几乎是2种作物混合组的两倍。

不同播种量对生物量有着明显影响，播种量为每平方英尺20粒和40粒时，产生的生物量远高于每平方英尺60粒播种量(图2b)，这可能是由于较高的播种量引起了植物之间的竞争，减少了总生物量。因为覆盖作物在作物成熟之前就被灭茬，如果终止时间推迟到作物成熟后，生物量可能会有显著变化。

表2：

灭茬时覆盖作物地上生物量和三种覆盖作物混合物和三种播种量的百分比组成。当α =0.05时，比较同列内同字母后的Tukey 检测值没有显著性差异。

图2：2013年3月27日覆盖作物灭茬时，由2、4和6个物种组成的三种覆盖作物混合物和三种播种率对地上生物量的影响（干物质-磅/英亩)

对不同组合的植物组成进行比较，发现豆科作物、绛三叶和毛苕子的比例在19 - 26%之间(表2，图3)。黑麦在2种作物中所占的比例高于4种作物中的比例，与6种作物中的比例相似。在6种作物的混合物中，燕麦和黑麦未进行分离。此外，油菜在6种作物中不具有竞争性，整个试验终止时只有1株油菜。萝卜发芽迅速,幼苗非常有活力,一直处于混合物中的领先地位,直到覆盖作物灭茬(图3)。

测定在覆盖作物灭茬时，地上生物量的植物组成为;杂草，萝卜，豆科，绛三叶和毛苕子组合，禾草，黑麦和燕麦组合。处理为黑麦(r)、绛三叶(c)、毛苕子(v)、萝卜(t)、燕麦(o)和芸苔、油菜(b)，每平方英尺20、40和60粒种子。油菜没有竞争力，在地块中没有发现。

图3: 覆盖作物灭茬时地上生物量的植物组成

地下生物量和土壤健康

如前所述，萝卜从秋季到春季发芽迅速，生长旺盛，有效抑制杂草生长。萝卜种子在4种作物混合物中的播种比例为10%，而在6种作物混合物中的播种比例为5%，但其地下生物量在不同组别并无明显差异(表3)。在20和40粒/平方英尺播种中，4种作物混合物的生物量最大。不同组别中，萝卜根的平均含水量变化很大，在7.5 - 39%之间，平均为16.9%。在覆盖作物灭茬后，土壤中萝卜的根为水分储存提供了场所。根据数据，假设每英亩有一吨含水量为10%的萝卜根，那么每英亩将可额外储存9吨的水分。一吨水相当于239.65加仑水，那就相当于每英亩增加2157加仑的水。虽然从为作物提供水分的角度来看，这可能是微不足道的，但干枯的萝卜根系可以促进水分从地表灌溉下渗到土壤中。

表3:灭茬后萝卜的地下生物量、水提取的总氮值及土壤健康得分

土壤分析由Rick Haney博士提供。数据提供了水可提取的氮和土壤健康得分。土壤健康计算是作为一种评估土壤健康的工具而开发的，它将五种土壤生物特性的测量合并为一种。该值的范围从0到50，如果对土壤进行可持续管理，该值应该随着时间的推移而增加。在这种情况下，组别之间没有显著差异，玉米作物种植后和第二年覆盖作物种植前的数值都低于前一年。

主要作物-甜玉米

在4和6种作物混合物的影响下，玉米产量有显著提高。玉米产量最高的组合是以4种作物混合物为覆盖作物，以每平方英尺20粒种子播种,而玉米产量能达到5.4吨/英亩(图4)。尽管产量低于普通甜玉米产量,但是种植过程中没有添加肥料，且使用了改良的播种机。由于地下滴灌的安装存在一些问题，地块之间存在较大差异。同时，由于不同处理之间的肥力没有显著差异，甜玉米产量的增加似乎与萝卜作为混合成分有关，因为萝卜可以增加土壤中的水分并且改善水分的渗透深度。

4：2013年，PMC采用三种覆盖作物组合(2，4和6个物种的覆盖作物组合)和3种播种量(20,40,60粒/平方英尺)覆盖一季后甜玉米平均产量(蒲式耳/英亩)。

加州的地中海气候对增加覆盖作物的使用带来了特别的挑战。第一年的研究表明，使用覆盖作物可以提高商品作物的产量，尽管迄今没有关于土壤健康改善的记录。在加州干旱的夏季的，在土壤中保持活根是很困难的。因为春季和秋季没有作物，所以那段时间土壤中没有活根。随着研究的继续，我们预计土壤健康状况会有所改善。

第2年

覆盖作物结果-生物量和覆盖

播种量仅在生长早期对冠层覆盖有显著影响(表4)，播种120天后，不同播种量之间便没有显著差异了。在各种覆盖作物混合物中，6种作物混合物的发芽率是最低的，因此降低了覆盖率。在30天时，2和4种作物混合物的覆盖率分别是17%和11%，但6个物种混合物的覆盖率只有4% (图6、7)。6种作物混合物的生物量偏低，可能是播种时种子埋的位置较浅导致的。

4种作物混合物的地上生物量是最高，与2种作物混合物具有明显差异(图7)。

2013和2014年的干旱条件减少了豆科作物的生长。PMC特地做了一个单独的实验，观察豆科作物的生长，发现豆科作物在当年均表现不佳（包括蚕豆、三叶草、豌豆和毛苕子）。因此，如若在中央谷地广泛种植豆科的覆盖作物，在降雨充沛的年份表现会更好。

表4: 2013 - 2014年 PMC种植的覆盖作物混合物的冠层覆盖率。

4种作物混合物表现极好，产生最高的覆盖率，最少的枯死植物量和最低的杂草覆盖量。在不同组别中，黑麦的覆盖率最高，达到95%。而豆科作物的覆盖率仅为2%，但在第二年达到的最高水平(图8)。但黑麦秸秆存在时，微生物需要更多的氮去分解有机质。

图6: 覆盖作物播种后30天至灭茬期间的平均冠层覆盖率(%)。

图7: 在覆盖作物灭茬时，不同覆盖作物混合物的地上生物量。

图8:在灭茬时，不同覆盖作物混合物地块的冠层覆盖。

本试验中黑麦的竞争特性在所有组别中都接近单作，因此减少了豆科作物的存在及其对氮素的贡献。密歇根州进行了一项为期两个季节的研究，比较了黑麦和毛苕子混合比例对物种间相互作用的影响，并研究对覆盖作物性能的影响。研究发现，增加黑麦的相对比例能更有效地抑制杂草，但增加毛苕子的相对比例能提高氮水平。此外，高有机碳促进氮循环，从而提供更多的有效氮。

甜玉米产量

覆盖作物混合物和播种量没有影响甜玉米的产量(表5)。2014年的产量远低于前一年，这可能是由于豆科作物生长不良导致了土壤氮水平低。但是，我们发现活根在土壤里维持了整个夏天，这也是实验的重要发现之一。

表5:2013年和2014年Lockeford PMC土壤健康研究中的甜玉米产量。

土壤健康

我们测定了容重、土壤水分、土壤阻力和总氮。对于这些测量，不同组别没有显著的差异。土壤健康指标也没有显示任何显著差异。对比所有组别，4种作物混合物在播种量分别是20粒/平方英尺和60粒/平方英尺时，土壤健康得分最高。以每平方英尺60粒种子播种4种作物混合物，其得分大约比以每平方英尺20粒种子播种高了3分(20.2 vs.17.4)(表6)。

表6: 研究第一年开始至第二年结束的土壤健康指标值。

图9:在2012 – 2014年，土壤健康研究中的土壤健康得分。

比较两年的土壤健康指标，尽管时间很短，但是土壤健康有一定的恢复(图9)。在60粒/平方英尺和20粒/平方英尺的播种量下，4种作物混合物对土壤健康的影响最大。

灭茬时的冠层覆盖和生物量的表明，较低的播种量可以在不降低效率的情况下节省成本。但如果急需控制杂草，建议提高覆盖作物的播种量，并增加禾草的比例，以便尽早控制杂草生长。

小结：

在土壤健康研究的第二年，黑麦在覆盖作物混合物中占主导地位。4个物种混合物的表现最好，因为它在不同播种量下都能达到100%的冠层覆盖。4种作物混合物的裸地和杂草数量都是最少的，而且其生物量也是较高的。在各个组别之间，甜玉米的产量没有明显差异。

随着时间的推移，土壤健康正在缓慢地改善，但改善并不明显。此外容重、土壤水分、土壤阻力和总氮也没有明显差异。

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