《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Plant available nitrogen varies with crop rotation due to legacy effects of legume and poultry litter inputs
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长期施用禽粪（PL）和豆科覆盖作物可提升土壤有效氮（PAN），降低玉米PL需求。研究三种有机轮作体系（2年、3年、6年），发现轮作多样性提高微生物活性碳、氮及PAN浓度，6年轮作完全消除玉米PL需求。2年轮作不施PL减产1645kg/ha，但可减少43%-58%用量而不影响产量。杂草在2年轮作中导致1394kg/ha减产。结论：长期PL和豆科作物提高氮储存、循环及PAN，但用量依赖轮作年限。减少PL推荐量可降低肥力成本和氮流失风险。
Kathryn E. White | Michel A. Cavigelli | Harry H. Schomberg | Steven B. Mirsky
美国农业部农业研究服务局（USDA-ARS）可持续农业系统实验室，贝尔茨维尔农业研究中心，马里兰州贝尔茨维尔，美国
摘要
在禽类生产地区，谷物农民使用禽类粪便（PL）来提供氮（N）。关于长期施用禽类粪便对植物可利用氮（PAN）影响的了解有限，尤其是在与豆科覆盖作物和饲料的历史投入相结合的情况下。美国马里兰州的农业系统项目（FSP）之前的研究发现，豆科作物和禽类粪便的历史投入增加了PAN，可能减少了玉米对禽类粪便的需求。我们量化了在FSP的三种有机管理轮作系统中，三种降低禽类粪便施用率对PAN的影响，以及PAN和杂草对玉米产量的影响。我们在以下轮作系统中建立了禽类粪便施用率的微区：两年生毛苕子（Vicia villosa Roth）加黑麦（Secale cereale L.）覆盖作物–玉米（Zea mays L.）–黑麦覆盖作物–大豆（Glycine max L.），三年生毛苕子加黑麦–玉米–黑麦覆盖作物–大豆–小麦（Triticum aestivum L.），以及六年生玉米–黑麦覆盖作物–大豆–小麦–苜蓿（Medicago sativa L.）–苜蓿–苜蓿轮作。轮作多样性增加了微生物活性碳、氮（N）和PAN的浓度，在六年生轮作中消除了玉米对禽类粪便的需求。在两年生和三年生轮作中，取消禽类粪便施用分别使产量减少了1645公斤/公顷和1009公斤/公顷。然而，施用率可以分别降低43%和58%，而不影响玉米产量。杂草在两年生轮作中使产量减少了1394公斤/公顷。结果表明，长期施用禽类粪便和豆科作物可以增加氮的储存、氮循环和土壤中的PAN，足以支持玉米产量，但施用率取决于轮作类型。在类似的轮作系统中，无论是有机还是传统轮作，减少禽类粪便的推荐用量都可以降低肥力成本，并可能降低氮损失的风险。
引言
在生态基础上进行养分管理时，一个重要目标是在减少外部投入的同时建立长期的土壤肥力（Watson等人，2002年；Berry等人，2006年；Drinkwater和Snapp，2007年）。其目标是通过创建在不同时间和空间上具有不同可用性的多种养分库来管理农业生态系统中的碳（C）和氮（N）的循环（Drinkwater和Schipanski，2017年；Grandy等人，2022年）。无论氮是由有机改良剂还是矿物肥料提供的，玉米吸收的氮中不到一半来自当年的施用，其余部分来自分解的作物残渣和土壤有机氮（SON）储备的转化（Gardner和Drinkwater，2009年；Yan等人，2020年）。典型的矿物氮肥料推荐用量可能导致无机肥料氮的积累超过作物的需求，这些无机氮可能通过反硝化、淋溶或其他机制流失到环境中（Aronsson等人，2007年；Cavigelli和Parkin，2012年）。虽然有机氮源也容易流失，但来自覆盖作物、粪肥和堆肥的有机物投入直接增加了土壤有机碳（SOC）的储量，这些储量比无机氮储量更稳定；长期投入的遗留效应可以通过增加PAN来支持产量（Tonitto等人，2006年；Pan等人，2009年；Chen等人，2018年；Oldfield等人，2019年）。长期使用多样化的、易于降解的有机投入还可以增加SON（Lin等人，2016年）、潜在可矿化的氮（Spargo等人，2011年）和土壤中的微生物氮循环（Bowles等人，2014年；Wang等人，2025年；Wu等人，2025年），从而增加来自SOC库的总氮矿化量（Osterholz等人，2017年；Sainju等人，2022年）和作物对氮的吸收（Spargo等人，2011年），相比依赖矿物氮肥料的长期系统。
鉴于影响土壤PAN的复杂因素（Morris等人，2018年；Grandy等人，2022年），特别是那些有长期施用粪肥和豆科作物历史的土壤（Meisinger等人，1992年；Meisinger等人，2008年），预测作物的氮需求以制定肥力推荐用量具有挑战性。在包含堆肥粪肥和豆科作物投入的种植系统中，SON的总氨化量平均可达23公斤/公顷/天，这表明土壤氮循环可以提供作物氮需求的大部分（Osterholz等人，2017年）。然而，豆科覆盖作物在混入土壤后迅速矿化，可能对土壤微生物和潜在的氮损失贡献更大，超过作物的吸收（Varco等人，1993年；Crews和Peoples，2005年），尽管豆科作物和黑麦的混合物可以帮助更好地同步残渣氮的矿化与作物需求（Poffenbarger等人，2015年）。此外，粪肥氮的矿化速率和程度取决于粪肥来源（例如，奶牛粪肥、禽类粪便（PL）以及施用前的处理方式（例如，堆肥、厌氧消化、堆放）（Gutser等人，2005年；Cassity-Duffey等人，2020年；Lazicki等人，2020年）。尽管随着时间的推移这种残留效应会逐渐减弱，但长期历史粪肥施用对氮吸收的残留效应在停止施用后仍可持续长达4年（Nyiraneza等人，2010年）。由于预测来自多种遗留来源的氮可用性的复杂性，许多州的推广建议并未充分考虑长期覆盖作物或饲料以及有机改良剂对SON中氮可用性的影响（Drinkwater和Snapp，2007年；Morris等人，2018年）。基于计算机模型的系统，如Adapt-N（Melkonian等人，2007年）和Maize-N（Setiyono等人，2011年），可以相对于当前做法改进氮的推荐用量（Sela等人，2016年；Paccioretti等人，2025年），但由于特定地点的条件和关于土壤有机物模型输入的不确定性，其有效性可能会有所不同（Osmond等人，2018年）。
中大西洋地区和其他禽类生产地区的传统和有机谷物农民经常依赖禽类粪便来为玉米（Zea mays L.）、小麦（Triticum aestivum L.）等作物提供氮。在禽类生产地区，禽类粪便是一种经济上可行的资源，可以提供作物养分并建立长期的土壤肥力（Lichtenberg等人，2002年；Hoover等人，2019年）。然而，由于禽类粪便中氮与磷（P）的比例较低（Ashworth等人，2020年），历史上为了满足作物氮需求而进行的施用也导致了土壤中磷的过量积累（Coale，2000年；Moore和Edwards，2007年），并对生态敏感的河口地区的地表水质产生了负面影响（Sharpley等人，1994年；Maguire等人，2008年；Bryant等人，2022年）。在马里兰州及其周边地区，如果土壤测试磷超过临界阈值，养分管理法规要求将禽类粪便的施用量减少到基于磷替换的速率。这样的限制可能会对缺乏经济上可行的氮肥料替代品的有机谷物农民产生负面影响，因为他们无法依靠豆科覆盖作物来补充氮。尽管存在这种风险，许多有机种植者仍不愿减少玉米对禽类粪便的施用率，因为他们对土壤中PAN的不确定性以及杂草竞争对作物产量的负面影响感到担忧。养分管理和杂草控制是有机谷物生产者的主要关注点（Sooby等人，2007年；Jerkins和Ory，2016年）。
有机系统中的作物轮作多样性会影响SOC和SON的储量，从而影响土壤中的PAN，因为这取决于禽类粪便的施用频率以及轮作中包含的豆科植物（包括多年生植物）的类型（Spargo等人，2011年；Judd等人，2025年）。农场内和长期的田间实验研究已经证实，历史粪肥施用的遗留效应以及轮作中包含豆科覆盖作物和饲料可以增加潜在的土壤氮矿化（Spargo等人，2011年），并相对于推荐用量减少玉米的氮施用需求（Ackroyd等人，2019年；Maguire和Thomason，2023年；White等人，2023年）。然而，由于这些效应在不同轮作和管理系统之间存在差异（Spargo等人，2011年；White等人，2023年），因此需要量化轮作和管理系统对适当禽类粪便施用率的影响。传统种植者可以使用季节性的土壤硝酸盐测试（例如，苗前土壤硝酸盐测试，PSNT；Meisinger等人，1992年；White等人，2023年）或近叶传感器来微调季节性矿物肥料氮的施用，以满足作物的需求，即使在长期施用豆科植物和粪肥的土壤中也是如此（Morris等人，2018年；White等人，2023年）。由于有机种植者不能进行追肥，他们必须在种植前预测季节性的作物氮需求，并以正确的PAN速率施用禽类粪便，以优化氮的使用效率；因此，确定适当的禽类粪便施用率至关重要。有机种植者还必须考虑季节性变化的杂草种群对养分的竞争，这可能会使玉米产量比使用除草剂的传统系统减少25-30%（Oerke，2006年；Posner等人，2008年；Teasdale和Cavigelli，2010年；Teasdale等人，2018年）。需要进一步的研究来更好地理解历史豆科植物和禽类粪便投入对SOC质量、SON循环和土壤PAN释放的遗留效应，以便更好地预测土壤PAN的可用性并确定最佳的禽类粪便施用率。
尽管先前的研究表明，长期施用粪肥、豆科覆盖作物和饲料可以增加SON、PAN的可用性和作物对氮的吸收，但尚不清楚在不对产量产生影响的情况下，推荐粪肥施用量可以减少到什么程度。此外，减少禽类粪便施用率与杂草竞争之间的相互作用尚未得到探索。我们的目标是评估历史作物系统管理和杂草对玉米作物禽类粪便施用需求的相互作用。我们在美国马里兰州贝尔茨维尔长期运行的USDA-ARS农业系统项目（FSP）的三种有机作物轮作系统中进行了这项研究。FSP是美国仅有的两个具有超过20年历史豆科植物和禽类粪便投入的长期田间实验之一，这些投入在持续且一致管理的有机作物轮作中进行（即不使用矿物氮肥料），使得这项研究成为评估遗留投入对控制土壤PAN和未来禽类粪便需求因素影响的独特实验室。据我们所知，没有其他研究试图为类似长期管理的土壤定义最佳的禽类粪便施用率。我们假设，在更多样化的作物轮作中，历史上的禽类粪便和豆科作物（覆盖作物或饲料）投入可以增加微生物可利用的碳和氮循环以及土壤PAN的释放，并降低玉米的禽类粪便施用需求。我们还假设，在较短的轮作中，更多的杂草覆盖会减少作物对氮的吸收，从而相对于更多样化的轮作增加禽类粪便的施用需求。我们的结果应有助于完善具有长期禽类粪便施用和豆科覆盖作物或饲料投入的作物轮作的大学和基于模型的氮肥力推荐。
章节摘录
农业系统项目
这项研究于2017年至2019年在美国马里兰州贝尔茨维尔（39.0° N, 76.9° W）的USDA-ARS农业系统项目（FSP）进行。FSP的土壤类型包括Matapeake（细粉质、混合、半活性、湿润的典型Hapludults）、Christiana（细粉质、混合、半活性、湿润的典型Hapludults）、Keyport（细粉质、混合、半活性、湿润的Aquic Hapludults）和Mattapex（细粉质、混合、活性、湿润的Aquic Hapludults）粉壤土。我们在FSP的三种有机作物系统中进行了这项研究。
历史投入对微生物可利用碳和氮的影响
比较WF0x微区中五种FSP作物系统的土壤参数，揭示了历史管理对微生物可利用碳（C）和氮（N）成分的影响（表3）。与Org2相比，Org3中更多的小麦残渣、更频繁的历史禽类粪便施用以及更高的苕子生物量输入增加了微生物活性，尽管WOEC浓度相似，但24小时CO2-C呼吸作用更强。在将苜蓿混入土壤后，Org6的土壤呼吸作用也有所增加。
讨论
我们的结果表明，当前的基于产量的氮推荐用量可能导致依赖禽类粪便施用和豆科覆盖作物或饲料作为长期氮来源的作物系统中氮的过度施用。与我们的第一个假设一致，长期豆科作物和禽类粪便的投入在扩展的轮作中增加了土壤中微生物可利用的碳和氮，从而增加了土壤中的PAN和玉米对氮的吸收，与较短的轮作相比。
结论
这项研究的结果表明，在确定作物氮推荐用量时，必须考虑长期的作物轮作历史以及禽类粪便、豆科覆盖作物和饲料投入的遗留效应。与我们的假设一致，我们发现，在日益多样化的作物轮作中，长期的豆科作物和禽类粪便投入消除了杂草造成的产量损失，并减少了玉米作物的禽类粪便施用需求。这不仅仅是随着时间累积的氮添加效应的结果，而是多种因素共同作用的结果。
资助
这项研究得到了美国农业部NIFA有机研究和推广计划的支持，授予编号为#2015–51300–24195的资助。
CRediT作者贡献声明
Kathryn White：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，方法学，调查，数据分析，概念化。Michel A. Cavigelli：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。Harry H. Schomberg：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，资金获取，概念化。Steven B. Mirsky：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项研究是长期农业生态系统研究（LTAR）网络的贡献成果。LTAR得到了美国农业部的支持。作者希望感谢Nhi Amy Tran、Chris Rasmann、Anne Conklin和Anh Le在田间和实验室工作中提供的宝贵帮助。
