《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Winter cover crops impact on soybean yield and quality in Mississippi Delta
编辑推荐：
为解决密西西比三角洲地区冬季休耕期土壤养分流失问题，并为大豆系统筛选可持续覆盖作物，研究人员开展了为期两年的田间试验，比较了冬季豆科混播(LM)、禾本科混播(GM)及其组合(GM+LM)与休耕对照的效果。研究发现，尽管覆盖作物处理使大豆产量总体降低3-14%，但豆科混播的产量显著优于禾本科混播。种子纤维、油分和蛋白质含量未受显著影响，但脂肪酸和氨基酸组成存在差异。研究为区域大豆生产中选择合适的覆盖作物组合以平衡产量、品质与环境效益提供了关键依据。
想象一片广袤的农田，在主要作物收获后，整个冬天都暴露在风雨中，土壤和宝贵的养分随之流失。这正是美国密西西比三角洲地区(MDR)大豆生产中常见的景象——冬季休耕。为了解决这一问题，并寻求可持续的农业实践，科学家们将目光投向了“覆盖作物(CC)”，即在休耕期种植特定植物来“保护”土地。覆盖作物被誉为改善土壤质量、促进养分循环的利器，但其对后续主作物产量和品质的实际影响，却因作物种类、土壤和气候而异，有时甚至适得其反。那么，在密西西比三角洲这个特定的区域，为大豆系统引入冬季覆盖作物，究竟是福音还是负担？豆科与禾本科覆盖作物，谁更能胜任？为了回答这些问题，一篇题为“Winter cover crops impact on soybean yield and quality in Mississippi Delta”的研究应运而生，并发表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》期刊上。
为了系统评估冬季覆盖作物混播对大豆产量与种子品质的影响，研究人员于2022和2023年在密西西比州斯通维尔的美国农业部农业研究服务局(USDA-ARS)作物生产系统研究单元农场开展了一项为期两年的田间试验。研究采用随机完全区组设计，设置四个重复。试验处理包括：冬季禾本科混播(GM，包含小麦、燕麦和黑麦)、冬季豆科混播(LM，包含奥地利冬豌豆、绛三叶草和毛苕子)、豆科与禾本科组合混播(GM+LM)，以及冬季休耕(无覆盖作物)作为对照。覆盖作物每年10月底至11月初种植，次年5月在大豆播种前一周终止。大豆在覆盖作物终止后连续种植。研究团队系统测定了覆盖作物生物量及其养分含量、不同深度土层(0-5, 5-15, 15-30 cm)的土壤化学性质、大豆籽粒产量，并利用近红外光谱仪(NIRS)分析了籽粒品质，包括蛋白质、油分、脂肪酸、糖分及氨基酸组成，同时测定了籽粒的矿质养分含量。所有数据均采用SAS软件的GLIMMIX程序进行统计分析。
主要研究结果
覆盖作物生物量与养分组成
豆科覆盖作物(LM)及其与禾本科的混合(LM+GM)倾向于产生更高的生物量。尽管2023年所有覆盖作物处理的生物量均显著高于2022年，但处理间差异不显著。养分分析显示，LM和LM+GM处理的生物量中全氮(TN)和钾(K)含量呈现高于GM和休耕处理的趋势。LM+GM处理的钾含量显著高于休耕处理。此外，LM和LM+GM处理的生物量中锌(Zn)、硼(B)、铁(Fe)、硫(S)的含量也高于GM处理。
冬季覆盖作物混播对终止期土壤变量的影响
土壤pH值在不同处理与土层间存在差异。2022年，GM处理在0-5 cm土层的pH显著高于LM和休耕，而LM处理在5-15 cm和15-30 cm土层的pH则显著更高。在土壤养分方面，2023年，LM处理在0-5 cm土层的全氮(TN)含量显著高于LM+GM处理。LM+GM处理在5-15 cm和15-30 cm土层的有效磷(P)含量显著高于休耕和LM处理。2022年，LM和LM+GM处理在5-15 cm土层的土壤有机质(SOM)含量显著高于休耕处理，这表明覆盖作物，特别是豆科类，对提升表层土壤有机质有积极影响。
大豆籽粒产量、纤维、油分和蛋白质含量
覆盖作物处理对大豆产量有显著影响。与冬季休耕相比，种植覆盖作物总体上导致大豆产量降低3%至14%。其中，豆科混播(LM)的产量表现优于禾本科混播(GM)，在2022和2023年分别高出7%和10%。从经济角度看，以2023年11月大豆市场价格计算，使用覆盖作物平均导致每公顷收入减少约163美元，其中GM处理的经济损失最大。然而，大豆籽粒的纤维、油分和蛋白质含量仅受年份影响显著，而不同覆盖作物处理间无显著差异。2022年的油分含量普遍高于2023年，而2023年的蛋白质含量则普遍更高。
冬季覆盖作物混播对大豆种子脂肪酸、糖分和氨基酸的影响
覆盖作物类型对大豆种子的部分品质成分产生了影响。在2022年，LM处理增加了棕榈酸含量，而GM处理增加了油酸含量。休耕处理的亚油酸、蔗糖、果糖和棉子糖含量则高于GM处理。在2023年，GM处理的大豆种子中棕榈酸含量更高，而LM处理的亚油酸含量显著高于休耕和GM处理。在氨基酸方面，2022年GM处理显著提高了种子中精氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸的含量。
冬季覆盖作物混播对大豆种子养分组成的影响
覆盖作物处理影响了大豆种子的矿质养分浓度。在2022年，GM处理种子中的磷(P)、镁(Mg)、铁(Fe)和锰(Mn)含量显著高于休耕处理。在2023年，GM处理种子中的锌(Zn)含量显著高于休耕和LM处理，而LM+GM处理的锰(Mn)含量显著高于休耕处理。
研究结论与意义
这项为期两年的研究揭示了在密西西比三角洲大豆生产系统中引入冬季覆盖作物混播的复杂效应。核心结论是：与冬季休耕相比，种植覆盖作物（无论是豆科、禾本科还是其混合）均会导致大豆籽粒产量下降（3-14%）。然而，在覆盖作物类型内部比较中，豆科混播(LM)在产量和养分吸收能力上均优于禾本科混播(GM)。这表明，尽管覆盖作物短期内可能因竞争水分和养分或导致养分固定而降低主作物产量，但豆科作物因其固氮能力和较低的碳氮比(C:N)，可能通过更快的生物量分解和养分释放，对后续作物产生相对积极的影响。
研究还发现，覆盖作物并未显著改变大豆籽粒的纤维、油分和蛋白质含量等宏观品质指标，但对脂肪酸组成、部分糖分和氨基酸，以及多种矿质养分（如P、Mg、Fe、Mn、Zn）的浓度产生了特异性影响。例如，GM处理提升了种子中多种必需氨基酸和矿质养分的含量。这些发现表明，覆盖作物可能通过改变土壤养分循环和有效性，微妙地调节大豆种子的生化组成和营养品质。
这项研究的意义在于，它为密西西比三角洲的农业生产者提供了一个基于实证的决策框架。尽管覆盖作物带来了短期的产量和经济损失风险，但其在改善土壤健康（如增加表层土壤有机质）、减少冬季养分流失方面的环境效益不容忽视。豆科覆盖作物相较于禾本科展现出更好的应用潜力。研究者强调，需要在该地区针对不同大豆品种、土壤和气候条件进行更长期的研究，以量化覆盖作物的综合效益，并最终推荐能在大豆产量、品质和土壤可持续性之间取得最佳平衡的覆盖作物组合方案。这项研究深化了人们对覆盖作物-主作物互作关系的理解，为推动精准和可持续的农业管理实践提供了关键科学依据。
