在为期十年的综合作物管理实践中，同步研究玉米-小麦轮作系统中凋落物分解动态及氮释放情况

《Journal of Environmental Management》：Synchronizing the residue decomposition dynamics and nitrogen release from the litterbags study of a maize-wheat rotation under the decade-long integrated crop management practices

长期玉米-小麦轮作中保护性耕作（CA）与常规耕作（CT）对比研究表明，表面保留残体（SR）因高C/N比和干燥微气候显著减缓分解与氮释放，150天时玉米SR保留额外56.3-71.4%生物质，氮释放量较incorporated降低32-38%；365天后氮释放减少24.4-31%（玉米）和26-30.8%（小麦）。CA系统通过提高土壤硝态氮29.4-44.4%（玉米）和26-33%（小麦），虽初期氮供应不足导致氮利用效率提升16-19%（玉米）和6.3-10.2%（小麦），但最终实现较CT系统提高19.3-20.4%（玉米）和14%（小麦）的产量。表面残体管理通过延缓分解促进土壤氮动态调控，为可持续农业提供新策略。

　　

作者名单：Anamika Barman、Vijay Pooniya、Dinesh Kumar、R.R. Zhiipao、Niraj Biswakarma、Y.S. Shivay、S.S. Rathore、Kajal Das、Nilutpal Saikia、Santanu Kundu、Suman Dutta、S.K. Prajapati、Amrit L. Meena

研究机构：印度农业研究研究所（ICAR），新德里，邮编110 012，印度

摘要

作物残余物的分解在碳（C）和氮（N）循环中起着重要作用。本研究采用尼龙网袋法，评估了在长期（2014–2024年）玉米-小麦轮作系统中，八种综合作物管理措施（ICMPs）下玉米和小麦残余物的分解及氮释放动态。在基于覆盖作物（CA）的ICMPs _5-8 中，玉米残余物被保留在地表；而在基于直接耕作（CT）的ICMPs _1-4 中，残余物被混入土壤中。残余物分解和氮释放遵循一级动力学规律，通过累积热时间（ATT）进行建模。在150天时（累积热时间为2736°C），基于CA的处理组中，玉米残余物保留的生物量比基于CT的处理组多56.3–71.4%，小麦残余物多37.3–56.4%。地表保留的残余物释放的氮分别比混入土壤的残余物少32–38%和33.1–38.4%。365天后，地表保留的残余物导致的氮释放量分别减少了24.4–31%（玉米）和26–30.8%（小麦）。尽管基于CA的处理组作物吸收的氮更多，但由于地表残余物的存在，氮释放被延迟（在生长早期30–90天内）。虽然地表残余物在生长后期提供了更多的氮，但与基于CT的处理组相比，早期氮供应受到限制。基于CA的处理组使0–15厘米深度土壤中的NO₃^?-N含量增加了29.4–44.4%（玉米）和26–33%（小麦）。然而，氮利用效率（NUE）分别提高了16–19%（玉米）和6.3–10.2%，氮吸收量分别增加了75.7–88.2%和65–74.5%。此外，基于CA的处理组作物的产量比基于CT的处理组提高了约19.3–20.4%（玉米）和14%（小麦）。因此，对于碳氮比（C/N）较高的作物（如玉米和小麦），地表保留残余物可以通过减缓分解速率来改善土壤健康，从而对土壤氮动态产生积极影响，并维持长期的作物生产力。

引言

玉米-小麦轮作（MWR）是印度重要的种植系统，覆盖了印度-恒河平原约200万公顷的土地（Pooniya等人，2022年）。然而，传统的耕作方式导致了土壤退化、养分失衡以及土壤有机碳（SOC）的下降，威胁到了系统的长期可持续性（Lu等人，2023年；Oliveira等人，2024年；Sadhukhan等人，2024年）。这些挑战还因温室气体（GHGs）排放增加和自然资源利用效率低下而加剧。因此，将这一系统转向基于保护性农业（CA）的做法已成为传统做法的可行替代方案。CA能够改善土壤健康、提高资源利用效率、促进微生物多样性并减少排放，从而增强对气候变化的适应能力（Durham和Mizik，2021年）。在CA框架内的综合作物管理措施（ICMPs）可以进一步优化作物产量，同时将环境影响降至最低（Varatharajan等人，2022年）。

据估计，印度次大陆每年有1.516亿吨作物残余物被焚烧，其中86%（1.296亿吨）来自水稻、小麦、玉米和甘蔗，其余14%（2195万吨）来自其他作物。全球范围内，亚洲的农业残余物焚烧率显著高于其他大陆。在印度，残余物焚烧现象比中国多30%，比巴基斯坦高93%（FAOSTAT，2019年）。在印度的IGPs地区，约24%的作物残余物在田间被露天焚烧（Ravindra等人，2019年）。这种做法导致严重的空气污染，并对该地区的人口健康构成长期威胁。残余物焚烧产生的排放物包括990.68克PM_2.5、1231.26克PM₁₀、123.33克黑碳（BC）、410.99克有机碳（OC）、11,208.18克一氧化碳（CO）、484.55克氮氧化物（NO_x）、1282.95克挥发性有机化合物（VOC_s）、144.66克二氧化硫（SO₂）和262,051.06克二氧化碳（CO₂），其中水稻、小麦和甘蔗贡献了80–85%的污染总量（Sahu等人，2021年）。将残余物归还土壤不仅能够增加SOC，还能提供氮（N）、磷（P）和钾（K）等必需养分，支持长期生产力（Varela等人，2014年；Wang等人，2015年）。一个季节的残余物还可以为下一个季节的作物提供养分（Halde和Entz，2016年）。

然而，残余物的分解和养分释放受到残余物质量、土壤条件、微生物活动以及耕作和灌溉等农艺措施的影响（Sievers和Cook，2018年；Barel等人，2019年；Dhakal等人，2020年）。碳氮比（C:N）和木质素含量决定了细菌或真菌群落的主导地位，从而影响分解速率（Sauvadet等人，2016年；Bai等人，2024年）。高质量残余物（低C:N比）分解迅速，有利于细菌活动，促进矿化作用；而低质量残余物（高C:N比和木质素含量）则促进真菌活动，分解较慢，从而延缓养分释放（Sauvadet等人，2016年）。分解过程中的微生物周转也调节着养分动态，包括P、K、Ca、Mg和S等元素的固定和释放（Halde和Entz，2016年）。理解残余物分解、氮释放与作物氮需求之间的同步性对于优化养分利用效率和减少环境损失至关重要。在基于谷物的系统中，特别是在CA条件下，残余物中氮的矿化时间和速率可以显著影响关键生长阶段的土壤氮可用性。如果同步性不佳，可能会导致生长早期氮的固定或植物需求低时的淋溶和挥发损失，最终降低生产力并增加外部氮投入的需求。通过使分解驱动的氮供应与作物吸收模式相匹配，可以增强内部养分循环，减少化肥依赖，并降低温室气体排放。此外，这种匹配还有助于根据残余物质量、放置方式和当地农业气候条件制定更精确和可持续的养分管理策略。尽管有大量研究，但在田间条件下对长期分解过程的理解仍存在不足。大多数先前的研究都是短期进行的，或在受控环境中进行，或缺乏基于热时间的建模与实时田间观测的结合。因此，关于残余物质量、放置方式（地表保留 vs. 混入土壤）和耕作方式如何影响长期养分动态和与作物氮需求的同步性的知识仍然有限。

因此，我们的研究旨在：i) 评估长期ICMPs下玉米/小麦残余物的分解和氮释放动力学；ii) 检视分解过程、氮释放与土壤和植物氮动态的同步性及其对玉米和小麦生产力的影响。我们的研究强调了实际可行的残余物管理策略，以减少残余物焚烧对环境的影响，促进养分循环，并支持基于谷物的系统的可持续集约化。我们假设残余物质量和放置方式显著影响分解模式和氮释放速率，并且基于热时间的模型能够在半干旱和CA条件下准确预测这些动态。将残余物混入土壤可以增加微生物接触残余物的机会，从而提高分解速率常数（k）和氮释放常数（k_n），相对于地表保留的残余物（SR）。我们进一步预计，由于玉米残余物的生物化学性质更优，其k和k_n值会高于小麦残余物；而地表保留的残余物由于表面微气候较冷和干燥，会减缓矿化过程。通过解决基于田间的分解研究中的长期空白，这些发现有助于提高农业生态系统的韧性，减少温室气体排放，并为环境管理提供可扩展的解决方案。

研究地点和土壤参数

本研究位于印度新德里的ICAR-印度农业研究研究所（纬度28°0′N，经度77°15′E）。该地区属于印度-恒河平原的半干旱地带，年平均降雨量约为650毫米，其中75–80%的降水发生在7月至9月，主要受西南季风影响。最高和最低气温的日变化范围分别为17.4–44.2°C和0–27.6°C。

玉米残余物

在150天的研究周期中，地下混入（SSI）下的分解速率常数（k）高于地表保留（SR），SSI的值为0.19–0.24，SR的值为0.08–0.10，R²值也很高（0.90–0.99）（表4）。在指数模型中，SSI的k值（5.39–6.93 × 10^?4）也高于SR的k值（2.36–2.87 × 10^?4），R²值达到0.99。使用模型1估算的分解速率常数在SSI处理组中分别增加了5.3%、15.8%和26.3%。

残余物分解动力学

一级动力学和指数模型对于准确预测残余物随时间的分解动态至关重要。不同的残余物放置方法、累积热时间（ATT）和残余物组成显著影响了长期ICMPs下玉米和小麦残余物的分解速率。在基于直接耕作的（CT）系统中，残余物的地下混入（SSI）导致的分解速率始终高于地表保留（SR）。

限制与未来研究方向

虽然这项长期研究为玉米-小麦轮作系统中不同ICMPs下的残余物分解和氮释放动态提供了宝贵的见解，但仍需承认一些局限性。实验是在单一的农业生态条件下（半干旱气候、沙质壤土）进行的，这可能限制了其在具有不同土壤和气候条件地区的推广。尽管基于热时间的模型能够有效描述残余物分解和氮释放，但其更广泛的适用性仍需进一步研究。

结论

我们的长期研究表明，在基于覆盖作物的系统中，地表保留的残余物释放的氮和分解速率低于混入土壤的残余物。在CA系统中，地表上的玉米残余物为下一季的小麦作物提供了约8.6公斤氮/公顷的养分，而小麦秸秆为下一季的玉米提供的氮很少。此外，基于CA的ICMPs始终保持了较高的土壤氮水平，NO₃-N含量高于NH₄-N含量。

CRediT作者贡献声明

Anamika Barman：撰写初稿、可视化、验证、监督、软件使用、方法论设计、数据整理、正式分析。 Vijay Pooniya：撰写与编辑、可视化、验证、监督、方法论设计、数据整理、概念构思。 Dinesh Kumar：撰写与编辑、监督、资源调配、项目管理、概念构思。 R.R. Zhiipao：撰写与编辑、撰写初稿、正式分析。

参与同意声明

作者确认所有植物研究均符合适用的国家、国际或机构指南。本研究未涉及人类和动物。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢ICAR-印度农业研究研究所和印度农业研究委员会在新德里提供的必要田间和实验室设施。