覆盖作物播种量和多样性对土壤健康的影响——第四期

覆盖作物团队土壤家 2022-07-27

转载自再生农业 Regenerative Ag公号（2021年8月4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：美国农业部自然资源保护局

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。

第4期：弗罗里达州的案例分析

结果摘要

使用覆盖作物和免耕能有效地改善土壤健康，但由于母质和风化作用，我们的土壤依旧贫瘠。

以每平方英尺播种60粒种子的组合，都在种植后两个月达到90%的覆盖率。所有覆盖作物的组合，包括对照组，在种植后3个月都达到90%的覆盖率。

由于缺乏水分，豆科植物的结瘤和生长都受到影响，所以覆盖作物主要以黑麦和萝卜为主。此外，覆盖作物的生长消耗了土壤中的有效氮而豆科植物又生长不佳，因此土壤中总体的氮含量下降了。

当萝卜的根遇到土壤中的限制性耕作层时，会被耕作层顶出地面(右图)。但部分较小直径的根尖能穿透耕作层的一部分。第二年时，萝卜的根部还是被推到地面上。我们用渗透仪测量了土壤阻力，也对土芯测量了容重，证实了耕作层还顽强的存在

滚压机能有效终止小麦、黑麦和萝卜的生长; 其他作物则用除草剂处理更有效。终止覆盖作物和种植玉米是同时进行的，但天气状况使我们无法在玉米出苗前充分控制杂草。

第一年收获的生物质的主要成分是黑麦，但第二年则是萝卜和豆科植物。

虽然覆盖作物能改善土壤健康，但是第二年的玉米产量比第一年的产量下降了。

讨论与分析

覆盖作物对生物量和营养物质的影响

所有组别的生物量主要来自于草本植物，主要是黑麦。我们怀疑是干燥导致了绛三叶和毛苕子幼苗的结瘤出现问题，因此豆科作物生长不佳且只占总生物量的一小部分。对照组豆科植物比例较高，原因是天蓝苜蓿数量较多。4种覆盖作物的组合中的芸苔属植物数量较多(包括萝卜和油菜)，而6种覆盖作物的组合中的芸苔属植物出苗率最低。在较高的播种量下，种间竞争可能影响了芸苔属植物的生长。在第二年的时候，灌溉提高了土壤湿度并且，芸苔植物的出苗和生长都得到了改善。豆科植物的结瘤和生长也比第一年有所改善，但在生物量上没有显著变化。

通常谷物在开花早期含有1.5 -2.5%的氮，而在结子时只有含不到1%的氮。当这些样品被采集时，在我们的实验田上的黑麦已经不在早期开花阶段了。由于黑麦是覆盖作物中的主要植物，所以所有覆盖作物中氮含量都低于对照组。如果不是实验田中还包含少量豆科植物，氮含量可能会更低。豆科植物开花前的氮含量为3.5%至4%。对照组的氮含量高于其他组别，主要原因是出现了苜蓿。该氮含量为3.2%，而其他不含豆科杂草的对照组的氮含量分别为1.3、1.6和2.1%，说明这些样品中的非豆科杂草也含有适量的氮。

表1. PMC两个研究年度中，三种覆盖作物组合 (mix)和三种播种量 (Rate) 的干物质产量 (Drymatter yield) 和覆盖作物终止前的植物氮含量 (N in dry Matter)。

¹收割日期。第1年是2013年3月26-27日（播种后118-119天）；第2年是2014年3月31日-4月3日（播种后139-142天）。

²同一列中不同字母代表平均值有显著不同，通过计算Tukey HSD发现p<0.05。

³在第二年时，我们用非选择性除草剂处理对照组，以控制所有植物的生长。

覆盖作物对冠层高度的影响

不同覆盖作物的组别之间，在植物冠层的平均高度上存在明显差异。对照组中的植物大多是冷季型杂草，而这些杂草中有许多带有莲座状叶丛或有匍匐生长的习性，因此比黑麦矮很多，所以黑麦是覆盖作物中最高的植物。因此，覆盖作物的高度偏低是符合预期的。除了少数例外，第二年的覆盖作物通常比第一年的要矮。这可能是黑麦的生长没有前一年那么旺盛。在第一年，播种后缺乏降水，影响了豆科植物的结瘤，导致生长不良。然而，在第二年里，由于安装了灌溉系统，水分没有受到限制。萝卜也旺盛地生长，形成较大的植株。由于水分充足，覆盖作物的生长比第一年更好了，但物种间的竞争似乎影响了覆盖作物混合物中黑麦的生长。在种植覆盖作物时，土壤中的有效氮低于植物所需的建议量，所以肥力不足可能影响了黑麦的生长。

覆盖作物对玉米产量的影响

总体上，两年的玉米产量都偏低，在覆盖作物组别之间也没有发现显著差异（表2）。玉米产量低的主要原因是种植密度低(每英亩2万株)、土壤氮含量低和缺乏氮源。虽然种植覆盖作物前的有效氮含量较低，但每个组别之间基本是一致的（表3）。但种植覆盖作物后，使得土壤中的有效氮更低了，且不同覆盖作物组之间存在差异。研究建议在旱地且低密度种植玉米时，每英亩需含氮150磅。我们土壤中的有效氮仅为推荐量的1/20。

土壤中有效氮偏低可能有几个原因。一是由于种植时土壤干燥，所有组别内豆科植物的比例都很低。豆科植物占所有覆盖作物生物量的比例不到10%，因此生物固氮很少。其次，由于黑麦是覆盖作物生物量的主要组成部分，黑麦善于从土壤剖面中挖掘营养，因此土壤中大部分有效氮被其用于生长。再者，当覆盖作物在春季被终止生长时，一部分的氮都被覆盖作物固定下来了，无法立即被玉米利用。此外，由于生物量中氮很少，这导致了高碳氮比(C:N)。这在本质上是纯谷类覆盖作物的组别中尤其明显，预计碳氮比为40:1。这也就不难理解为什么这两个物种的样地是玉米产量最低的。降解植物物质的土壤微生物需要碳和氮。这些微生物正常功能的最佳平衡是碳氮比20:1。由于植物中的氮含量很低，微生物挖掘了土壤中残留的氮，并且被它们固定在体内，因此无法被玉米利用。其他养分不平衡或没有被测量的其他因素也可能影响了玉米的生长。例如，绛三叶和毛苕子都是已知的线虫宿主植物，特别是根结线虫，这可能会影响玉米生长。然而，我们没有检查根部是否存在虫瘿，也没有测试土壤是否存在其他线虫物种。

有迹象表明，在覆盖作物中加入萝卜可以缓解了黑麦的影响。四种作物混合的萝卜数量是所有组合中最高的，其土壤氮含量和玉米产量也是很高的。碳氮比同样可以解释这一效应。芸苔属植物叶片和根分别有10：20 和 20：30的碳氮比，这加速了它的分解率。虽然萝卜组织吸收的土壤氮量与黑麦相同，但当萝卜生物量的比例较高时，玉米可以利用的土壤氮更多。

表2. 三种覆盖作物组合 (mix)和三种播种量 (Rate) 下，第一年和第二年的玉米产量 (corn yield)。

¹收割日期。第一年是2013年8月20-23日（玉米播种后117-120天）；第二年是2014年8月8日和11日（玉米播种后119和122天）。

²同一列中不同字母代表平均值有显著不同，通过计算Tukey HSD发现p<0.05。

表3. 在种植覆盖作物 (N before Cover Crop Planting)和玉米(N before Commodity Crop Planting) 前，三种覆盖作物组合 (mix)和三种播种量 (Rate) 中土壤有效氮的含量。

1同一列中不同字母代表平均值有显著不同，通过计算Tukey HSD发现p<0.05。

覆盖作物对杂草的影响

在土壤表面覆盖作物残茬会限制光的穿透，这有助于抑制在随后作物中杂草的生长。结果显示，覆盖作物能有效抑制杂草生长。右下方的照片显示了对照区的杂草问题，主要是香莎草(莎草属)。将这张照片与左边的照片相比，左边是每平方英尺播种60颗种子的6种覆盖作物混合组，杂草明显较少。在有覆盖作物的组别里，残茬层明显，杂草较少。据报道，黑麦产生的化学物质是天然除草剂，能防止杂草种子的发芽。我们观察到的杂草抑制可能是由于土壤表面的残留物和大量黑麦残茬的化学物质。然而，对照组的玉米产量仍然高于一些覆盖作物组别，这主要由于某些组别中覆盖作物残茬不能在玉米生产期提供持续的杂草抑制，这可能部分地解释了这些组别产量不高的原因。