覆盖作物播种量和多样性对土壤健康的影响——第三期
转载自 再生农业 Regenerative Ag公号（2021年7月30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：PamelaPavek and Dallas Spellman
编译：王安奇
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、三叶菜、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。
覆盖作物混合数量 | 禾草植物 | 豆科植物 | 芸苔植物 |
2种 | 50%黑麦 | 50%三叶草 | |
4种 | 55%黑麦 | 22.5%三叶草 | 10%萝卜 |
22.5%毛苕子 | |||
6种 | 22.5%黑麦 | 50%三叶草 | 5%萝卜 |
22.5%燕麦 | 22.5%毛苕子 | 5%油菜 |
图1：4月23日(左)和5月8日(右)覆盖作物小区(4种混合，每平方英尺播种量为60粒)
第3期：华盛顿州的案例分析
引言
铂尔曼市植物材料中心（PMC）是参与国家植物材料计划研究的七个植物材料中心之一，该研究旨在根据三年间的实验数据中评估覆盖作物对土壤健康的影响。研究始于2012年10月并于2013年秋季为第二年研究种植了新的覆盖物，实验过程中收集了植被覆盖度和生物量数据;实测土壤容重、土壤湿度、土壤温度;采集土壤养分和生物指标样品;并评估了商品作物的产量。最终数据显示了覆盖作物在冬季由于缺乏水分在冬季生长缓慢，而这种情况在春季开始降水时得到了明显的改善，但对于商品作物的产量有相应影响。且覆盖作物生长1年后，土壤碳和土壤健康均未见改善。证实了此覆盖作物种类和方案并不适合帕卢斯（Palouse）地区，铂尔曼市PMC计划于2015年秋季完成全国研究后进行方案修改。
分析与讨论：
作物冠层覆盖和高度
第一二年研究结果均证明覆盖作物从10月下旬出苗到4月下旬生长缓慢。在5月的第一周，因高温，覆盖作物的生长速度显著增加；且播种量最低的地块杂草覆盖最高。在第二年实验中，当实验终止时，覆盖作物的植株高度为7~8英寸，而前一年的植株高度为12~18英寸。
覆盖作物组合
三叶草和燕麦在秋天生长，但在冬天没能存活下来。在冬季，只有少量的油菜和萝卜存活。在2012年，黑小麦是所有覆盖作物的优势种样地, 两种作物混合组的平均覆盖率89%，四种和六种作物混合组的平均覆盖率66%。在2013年，黑小麦是仍旧是所有覆盖作物的优势种样地,在实验终止时，每种混合物的覆盖率如图2所示。
图2：在灭茬时，覆盖作物混合物地块的冠层覆盖组成。
覆盖作物生物量和氮含量
2012年，种植两种作物的覆盖作物样地的生物量大约是种植四种和六种作物样地的两倍，因为它们有较高的小黑麦组成(表1)。生物量产量随着播种率的增加而增加。由于三叶草在冬季无法存活，两种作物混合组中生物量氮含量最低(2.3%)。四种和六种作物混合组的氮含量略高(分别为2.7%和2.8%)，因为它们含有“毛茸茸”可以保温的毛苕子，以及较高的杂草生物量。对照组的生物量和氮含量最高(4.1%)，50%以上是由杂草组成。2013年则与第一年的情况相反，两种作物混合组的生物量比种植四种和六种作物混合组的生物量少，而产生这种变化的原因可能是毛苕子。豆科植物的生长情况比去年好，生物量增加了一倍多。氮含量在两种混合组中最低(2.2%)，在四种和六种混合组中稍高(分别为2.5%和2.6%)。杂草组成比第一年高2-14倍。
表1：三种覆盖作物组合和三种播种量的平均地上干物质生物量、氮含量和各科植物组成百分比的比较。
2012年数据：
2013年数据：
土壤温度、水分和有效氮
覆盖作物在种植商品作物（玉米）时对土壤温度没有影响。2012 年，包括对照组在内的所有样地的土壤温度都在 57°F 左右（表 2）。播种量为 20 粒种子/平方英尺的覆盖作物样地是最高的，但在商品作物种植时，所有覆盖作物样地的含水量都比对照样地少 36% ~ 48%。并且经观察，土壤中的硝态氮也有类似的趋势；所有覆盖作物样地的土壤硝态氮含量都比对照样地少 30% ~ 50%。2013 年，包括对照样地在内的所有样地的土壤温度都在 65°F 左右（表 2）。覆盖作物样地之间土壤含水量的差异也非常小。所有覆盖作物样地的含水量都比对照样地多，可能是因为在实验过程中，没有在杂草生长增加之前喷洒对照样地。种植商品作物时土壤硝态氮含量最高的样地有2种，播种量最低，但所有样地土壤含水量都很少。
表2：终止时的覆盖作物总生物量；和商品作物种植时的土壤温度、水分和氮。
2012年数据：
2013年数据：
商品作物耕地产量
所有覆盖作物样地的产量都明显低于对照样地，覆盖作物的混合和播种量之间也不存在显著差异(图3)。对照样地的平均产量为1133 lb/ac，约为本地区典型大麦产量的四分之一。大麦产量较低的原因可能是因为不施肥且播期较晚。第二年大麦没有收成。由于土壤表面又硬又干，大麦生根不良。在9月份长成的大麦植株只有1英尺高，产量很少，且种子穗没有成熟。
图3：覆盖作物一季后，在12% 水分 (lb/ac) 下的平均大麦产量。在 α =0.05 的 Tukey HSD 比较中，条形上方具有相同字母的均值没有显着差异
土壤容重
土壤容重常被用作土壤健康的指标。有机质含量高且结构良好的土壤往往容重低，而结构差的压实土壤往往容重高(USDA-NRCS, 2014)。降低土壤容重往往是保护性耕作的目的之一。然而，一些研究发现，土壤容重并不是测定土壤功能变化的可靠方法(Logsdon和Karlen, 2004)。在西北内陆地区，科学家和农民发现，土壤容重会随着免耕时间增长而增加，同时入渗率也增加了5到10倍 (Dennis Roe,personal communication, 2014)。由于蚯蚓活动和植物根孔增加了土壤的孔隙，所以水的运动从主要是毛细水转变为优先流。我们发现，从第一年到第二年，所有组别在0-2和2-6英寸土壤深度的容重都增加了，包括对照样地。土壤深度为0-2英寸时，容重从1.1增加到1.4 g/cm3；而土壤深度为2-6英寸时，容重从1.4增加到1.6 g/cm3。
土壤健康
碳含量是评估土壤健康的一种常用方法。土壤有机碳(SOC) 在种植覆盖作物至终止覆盖作物期间均有显著下降，从平均362 ppm下降到219 ppm，各组别间趋势无差异。各样地的C:N比值也显著降低，从24:1 下降到14:1。2012年研究间，前一年种植的小扁豆残留物可能增加了土壤硝酸盐和碳的分解速率，而由于覆盖作物的根系（尤其是三叶草的根系）增加土壤的碳。此外，土壤碳含量的下降可能与季节差异有关，或者是需要更多的时间来实现碳氮平衡。在第二年，SOC继续下降。土壤碳含量的下降往往是暂时的，因为残留物不再被土壤吸收，土壤微生物群落从残茬消费者向营养供应者转化有一个滞后时间(Dennis Roe, personal communication, 2014)。我们可以通过在混合物中加入更多豆科植物和/或者为商品作物增肥来增加土壤中的碳含量，以增加未来的作物产量。
RickHaney博士(USDA-ARS, Temple, TX) 开发了一种评估土壤健康的工具，它把五种土壤生物特性的测量结合成一个土壤健康指标值。该值在0到50的范围内。如果对土壤进行恰当的管理，该值应该随着时间的推移而增加。我们的土壤健康指标值在第一年种植覆盖作物的期间略有下降，但在第二年种植覆盖作物的期间有所增加。对照的土壤健康值在此期间也有所增加。
图4：2012 年秋季至 2014 年春季在以 20、40 和 60 粒种子/平方英尺播种了 2、4 和 6 种混合物的覆盖作物地块中土壤有机碳的变化
总结：
从第 1 年到第 2 年，土壤容重增加，土壤碳减少，这可能是免耕。这些趋势与帕卢斯（Palouse）地区减少耕作的种植者所经历的趋势相似。本研究中使用的覆盖作物种类和耕种方式可能并不适合本地区，因此PMC计划在完成此研究后进行改进。PMC将继续监测覆盖作物种植并确定土壤健康随着时间推移的变化。
References：
Logsdon, S.D. and D.L. Karlen. 2004. Bulkdensity as a soil quality indicator during conversion to no-tillage. Soil andTillage Research 78:143-149.
USDA-NRCS. 2014. Soil Bulk Density/MoistureAeration. Soil Quality Kit – Guides for Educators [Online] Available at: http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_053260.pdf. USDA Natural Resources Conservation Service,Washington, DC.
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