犁地和旋耕的区别
编辑/宇航员伊万
——【·前言·】——
土壤氮固定是一个关键的农业生态系统过程,它对作物生长和农业可持续发展起着重要作用。
传统上,人们普遍认为豆科作物
具有促进土壤氮固定的能力
,因为它们与根部共生的植物固氮菌,可以将大气中的氮转化为植物可利用的形式。
然而,研究表明,非豆科覆盖作物也能在一定程度上
促进土壤氮固定
,
具有很高的适用性
。
在植物生长期间,植物通过吸收土壤中的无机氮,能够减少氮素的淋失,并将其存储在植物体内,这种过程称为氮吸收和保持,
这些覆盖作物通常具有较高的氮吸收效率,和较低的氮淋失风险,有助于保持土壤中的氮素循环。
还可以通过多种途径增加土壤中的有机质含量,促进土壤生物活性,并提供其他养分供应,覆盖作物的根系可以
改善土壤结构,增加土壤孔隙度
,从而促进水分渗透和空气通气,有利于根系生长和有机质的分解,这些过程
有助于提高土壤肥力和氮素利用效率
。
——【·实验研究场地和现场试验设置·】——
为了验证并解决这一问题,研究人员在德国的三个不同环境进行了田间试验。
这三个地点被选为代表不同的气候条件
,特别是在覆盖作物期间降水分布不同
,覆盖作物期前的前茬分别为PI地点的春大麦,GR和K地点的冬小麦,在GR和K地点,谷物于2008年8月初收获,秸秆被运出田地。
在PI,由于植物发育不良,春大麦于6月18日被切碎并留在田地中,该田间试验采用了完全随机化分块设计,每组设有四个重复,主要因素为N肥料施用直接掺入播种前,每个主区划分为八个子区,
分别安排春黑麦、黑燕麦、向日葵、白芥菜、荞麦和大麻
。
播种率分别为,300、350、90、150、200和150颗/m2,以及无覆盖作物和裸露土壤休耕无植被,播种率控制在当地惯常播种率的高端范围,
以实现快速地面覆盖和土壤保护,以及杂草抑制。
没有覆盖作物的小区用于考察杂草生长潜力,和通过评估覆盖作物种类进行的杂草竞争,裸露土壤休耕作为对照组,用于确定覆盖作物对覆盖作物期间土壤氮矿化的影响,在GR和K地点,播种前2天进行了犁地耕作和旋耕机的整地准备工作。
在GR地点,播种前还进行了滚压处理,在PI地点,春大麦生长结束后一周使用割碎机,
对残留物进行了犁地耕作和整地准备
。
播种当天,施肥地块以50千克氮素/公顷的角粉形式,使用一台地块播种机深度为0.05米掺入土壤。
覆盖作物使用同一台地块播种机在0.03米深度播种,未覆盖作物和无植被休耕地块,
则使用空的地块播种机进行一次处理。
而覆盖作物的出苗情况,在播种后两到三周内进行了评估,每个地块有四次重复评估。
——【·样品收集和分析·】——
在播种后立即收集了土壤样品,并在10月的覆盖作物生物量采样后收集了样品,在PI和K两个位置,土壤样品从0到1.2米深度采集。
而在GR位置,
由于土壤层深度下0.6米的石块含量较高,采样深度仅限于0到0.6米的土壤层。
相同深度的核心样品经过均质化处理,并存放在田间冷藏箱中,随后在采样当天被深冻至-18°C,直到进行最终分析。
在解冻后的一小时内,用0.01MCaCl2制备土壤提取液,并使用连续流分析仪根据VDLUFA方法A6.1.4.1,和DINISO14255:1998-11检测NON和NHN浓度。
土壤采样深度在GR和其他两个位置之间有所不同,如上述所述,因此仅将0.6米土壤深度以下的样品,用于所有试验点的比较分析。
在10月的生物量收获时,
每个样区的2.04平方米区域通过人工割草,并将植物覆盖物和杂草分离。
覆盖作物和杂草的地上毛重鲜重在收获后,立即在实验室中使用实验室天平测定,重量为200至400克的样品,在105°C的干燥箱中干燥至恒定重量,
用于干物质重量的计算
。
为了确定覆盖作物茎、叶片和花序材料中的C和N含量,从每个样区另外收获了一些植物。
对于葵花、芥菜、荞麦和大麻,每个样区采样10个代表性植物茎,而对于黑麦和燕麦,每个样区采样20个植物茎,通过手工分离茎和叶片的方式,将叶片和花序材料合并,并将其作为
叶片材料
。
确定茎和叶片材料的鲜重,并将这些植物部分在60°C的干燥箱中干燥,以计算干物质重量,使用超离心磨粉机对干燥的植物部分进行细碎,使用元素分析仪。
按照VDLUFA方法4.1.2和DINISO10694:199608,分析%C和%N的含量。
——【·统计分析·】——
针对播种初期表现,研究人员对覆盖作物茎和叶片材料中,存在的干物质、氮积累、碳氮比,杂草茎和叶片材料,以及土壤中的无机氮,研究人员基于线性混合模型,
使用SASv.9.3软件的MIXED过程,进行了方差分析。
分析了三个位置的数据,将位置、施肥和种类作为固定效应,将复制品作为随机效应,通过对汇总数据进行残差图的检验,检查模型的拟合情况,
并在必要时使用数据转换,以满足线性回归分析的要求。
覆盖作物的出苗率、茎和叶片材料的碳氮比、茎材料所占总生物量的百分比,以及茎材料中的氮含量无需进行任何转换,而对于所有其他数据集应用对数转换,进行了方差齐性检验,
如果存在异方差,则对分割方差进行了拟合。
根据别的学者的方法确定了自由度,计算了最小二乘均值,
并使用SAS工具中的Tukey-Kramer检验进行均值比较。
——【·氮矿化模拟·】——
STICS模型中的残留物分解模块,被用来预测不同覆盖作物产生的残留物的氮矿化,该分解模型考虑了三个池,覆盖作物残留物、分解残留物的微生物生物量和腐殖质有机物,
这些池的每日变化与它们的碳氮比和碳含量有关。
在覆盖作物残留物分解过程中,碳要么以CO2排放,要么纳入微生物生物量中,未用于微生物生物量生长的作物残留物氮释放到无机氮池,这个池也作为无机氮的来源
,用于微生物生物量的生长。
分解的微生物生物量释放C和N,其中一部分纳入腐殖有机物,一部分以CO2排放,或者在N的情况下作为无机氮释放,模型通过以下方式表征C和N的流动,植物残留物分解速率常数,和来自残留物碳在微生物生物量中的积累。
微生物菌群的衰减速率常数和微生物C的腐殖化程度,三个池的C:N比,即C:NResidue、C:NMicrobialbiomass和C:NHumus,腐殖有机物的持续矿化持续释放额外的无机氮,这在当前模拟中并未考虑,
当前模拟只考虑来自覆盖作物残留物的净氮矿化
。
覆盖作物的净氮矿化也受到外部参数的影响,土壤、气候以及残留物的放置方式,有学者通过成熟和不成熟的作物材料,对土壤进行了孵育实验评估和验证。
最终揭示了微生物生物量C:N、残留物分解常数、腐烂微生物生物量的腐殖系数,与残留物的C:N比之间的显著相关性。
有学者在其他土壤孵育实验中证实了这些关系,并进一步针对C:N比范围广的不成熟秋季作物,进行了模型的评估和参数化。
在田间条件下,研究人员对混入的不成熟覆盖作物残留物,
进行了重新校准和成功验证的分解模型。
对于C:N比模型参数,输入范围为6到200,初步模拟显示在较低的C:N比下,N矿化存在不一致性,使用假设的未成熟作物残留物进行模拟,固定干物质和C含量,以及可变的C:N比。
结果显示,在免耕条件下,
模拟的比例净N矿化,并未根据残留物的C:N比逐渐变化
。
使用从4月到12月的默认气候条件,在前180天内,土壤表面的N矿化对于C:N比为10至12的残留物,
要低于C:N比为13至20的残留物。
通过翻耕,模拟的净N矿化随着C:N比从8到20的增加而递减,与其他研究结果类似。
由于免耕条件下文献和模拟结果之间的差异,使用了耕作的模拟,在土壤内,
由于微生物生物量的稳定作用,净N矿化通常较低。
不过,模拟仍提供了
评估覆盖作物物种的有价值指标
和文献资料。
模型从10月25日、10月30日和10月31日分别在PI、GR和K运行,共计140天,直到3月种植豌豆作物,覆盖作物才在生物量收获日使用滚筒破碎机终止。
而模型的输入,是
有机残留物供应的单个干预措施或两个干预措施
。
具有相同数量的茎、叶或茎叶干物质在生物量收获时存在,残留物类型输入参数为“未成熟作物残留物”,
具有植物组织特定的碳含量和碳氮比
。
在覆盖作物终止当天,假设进行一次耕作以便将残留物与土壤混合,模拟期间未提供额外的施肥或灌溉,
每个模拟使用了特定位置的气候条件
。
——【·气候·】——
这些地点之间的气候差异体现在总降水量和月降水分布上,在两年期间,PI、GR和K的总降水量均高于历史平均值。
2008年和2009年,PI的总降水量最大,与GR相比
差值为+59毫米,
在2008年和2009年对K的
差值分别为+104和+25毫米。
在覆盖作物生长期,2008年8月份,PI和GR的降水量分别比K
高出126%和98%
,而在9月份,K的降水量略高于其他地点。
而在模拟期的主要月份,PI和GR的累积降水量,
分别比K高出76%和31%。
2008年,PI、GR和K的年均温分别为
10.6、10.4和10.3摄氏度
,这些温度比长期平均值高出0.3到0.5摄氏度。
但到在2009年,它们与平均值相似或略低,在覆盖作物生长期,这三个地点的月均温度变化很小,在N矿化模拟的第二和第三个月,PI的月均温度比K
高出1.1和0.7摄氏度
。
——【·干物质生产·】——
在PI实验地点,整备种子床的时间比GR和K实验地点提前了近7周,并且覆盖作物的播种时间分别比GR和K提前了13天和14天。
这可能导致了与GR和K相比,
PI所有种类的生物量更大。
总干物质产量在PI、GR和K实验地点,分别为4.32至7.73Mg/ha、0.95至3.73Mg/ha和2.16至3.94Mg/ha。
尽管存在这种变化,所有实验地点上生物量产量最大的覆盖作物种类是相似的。
在PI和K实验地点,向日葵的干物质产量最大,而在GR实验地点,向日葵、燕麦和黑麦产生的生物量相等,在PI和K实验地点,黑麦的总生物量产量居第二位,将总生物量分为茎和叶材料后,
发现不同种类产生的茎和叶生物量存在差异。
但在PI、GR和K实验地点、向日葵和黑麦以及在PI实验地点,
芥菜的茎干物质产量最大
;在PI实验地点,
向日葵的叶生物量最大
;而在GR和K实验地点,
燕麦和向日葵的叶干物质产量相等
。
向日葵产生了大量的茎和叶材料,但相对而言,茎在总生物量中的比例较低。黑麦和芥菜是在所有实验地点上,始终显示出最大茎百分比的种类,在所有实验地点上,
燕麦的茎百分比最低。
值得注意的是,在PI实验地点,向日葵的茎百分比同样较低,而在GR和K实验地点,它比燕麦更高,在各地点的平均情况下,播种前施肥只增加了燕麦和荞麦的茎百分比,
在GR和K地点,施肥一直增加了覆盖作物和茎的生物量,但在PI地点没有效果。
在各个地点,施肥后的黑麦、向日葵、芥菜的叶干物质显著较大,而其他作物没有对额外施肥作出反应,覆盖作物区的杂草生物量在GR最高,在K最低,范围从0.02到2.18Mgha1,在未进行覆盖作物的区域,PI和GR的杂草生物量相似,大于K。
——【·结论·】——
研究表明,在土壤中无机氮供应较低的地区,通过早期播种和提高氮肥的可利用性,可以增加覆盖作物的干物质产量,额外的施肥也会降低植物材料的C:N比,
从而可能增加来自叶片和茎材的氮矿化。
向日葵产生大量的生物量,但大部分氮素积累在易分解的叶片材料中,茎的数量较少,并且由于叶片快速分解,无法保证持续的土壤覆盖和对冬季杂草的抑制,
在低氮条件下,黑麦和燕麦产生了相似数量的生物量,每平方米茎的数量增加。
从黑麦和燕麦的混合物中的氮矿化很低,这两种作物适合作为覆盖作物,春季粮草豆类作物可以直接播种,荞麦的生物量产量大于大麻,但其茎的C:N比较低
,在低投入条件下,植物的生物量产量尤其降低。
这两种作物产生的残渣,不适合在春季播种粮草豆类作物之前进行覆盖播种,研究提供了一些关于适宜于高氮可利用性条件下,向日葵和黑麦作为春秋季,无耕播种现金作物覆盖作物的线索。
而黑麦和燕麦则适合在氮资源较低的地区,
春季播种现金作物之前进行覆盖作物播种
。
由此可以看出,非豆科覆盖作物在促进土壤氮固定方面表现出了很高的适用性。通过增加土壤有机质含量、改善土壤结构和提高养分吸收能力,它们能够有效地增加土壤中的固定氮量。
因此,在农业生产中广泛使用非豆科覆盖作物,不仅可以提高作物产量和质量,还
可以改善土壤质量和农业生态系统的可持续性发展
。
这为农民和农业管理者提供了一种可行的选择,以在农田中实施氮素管理措施,
提高土壤氮利用效率,减少对化肥的依赖,并实现绿色可持续的农业发展
。
参考文献
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