《Soil Systems》：Nutrient Profiling and Water Repellency of Cover Crop Residues in Southern United States Agroecosystems
Payton B. Davis,
Dara M. Park,
Brook T. Russell and
Debabrata Sahoo
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本文通过为期四年的田间试验，系统评估了美国东南部常见覆盖作物（CCs）残余物的疏水性（WR）及其诱导土壤水排斥性（SWR）的潜在风险。研究采用水滴渗透时间（WDPT）法测定，发现所有供试覆盖作物（包括禾谷类黑麦、绛三叶草、中红三叶草、白萝卜）残余物均表现出不同程度的WR，其WDPT值最高可达4174秒，表明具有诱发SWR的显著潜力。文章指出，在气候变化的背景下，理解并管理覆盖作物的这一特性，对于农民制定科学的种植决策、缓解SWR发展、维护土壤健康与保障农业生产力具有重要指导意义。
覆盖作物残余物的养分剖面与疏水性：美国南部农业生态系统的田间研究
1. 引言
土壤健康，被定义为“土壤作为一种维持植物、动物和人类的生命生态系统持续运作的能力”，是实现可持续农业、保障水质和食物生产的基础。健康的土壤支持着数以百万计的微生物，它们分解有机物并为作物提供必需的养分。然而，集约化农业、常规耕作等管理措施可能导致土壤退化、侵蚀和板结，威胁粮食安全。覆盖作物（Cover Crops, CCs）作为一种有效的管理实践，被种植在主要经济作物生产间隔期，用以覆盖土壤、保护和改善土壤。覆盖作物具有多重益处，包括控制侵蚀、抑制杂草、改善土壤结构、增加团聚体稳定性、减少土壤板结、增强碳固存、改善水分入渗和提升土壤微生物量。
通常情况下，覆盖作物不会被收获，而是在田地被终止并留在田间分解。覆盖作物残余物继续覆盖土壤，保护其免受径流和侵蚀，并在分解过程中增加土壤有机质，提高土壤肥力。然而，覆盖作物残余物也可能影响土壤水排斥性（Soil Water Repellency, SWR）的发生与发展。SWR是一种全球性的自然现象，指土壤失去对水的亲和力、排斥水分的特性。当土壤颗粒被疏水性物质（如植物分解过程中释放的蜡质、烷烃、脂质、腐殖酸和脂肪酸等有机化合物）包裹时，便会诱发SWR。SWR可显著影响土壤水文学，导致水不能均匀入渗土壤，形成优先流路径和深层渗漏，进而引发种子发芽不良、植物胁迫、作物生长受限和产量下降等一系列问题。
在作物系统中，SWR可显著影响农业生产力。因此，理解覆盖作物对SWR的影响，对于指导管理决策、保护农民生计至关重要。本研究旨在探索和了解覆盖作物及其残余物影响SWR发展的潜力，并评估SWR在覆盖作物生长季内如何影响短期土壤-水动态特性。具体目标包括：（1）确定覆盖作物及其残余物的疏水性强弱；（2）评估SWR引起的团聚体稳定性和入渗率的短期变化。本研究的假设是，不同覆盖作物物种的化学成分差异（某些物种可能含有更多疏水性物质）会影响其疏水性水平，而疏水性更强的覆盖作物会诱导SWR，并对短期土壤-水动态（包括入渗率和团聚体稳定性）产生更大影响。
2. 材料与方法
2.1. 试验地点与设计
田间研究于2021-2022年（EXP A）、2022-2023年（EXP B）和2023-2024年（EXP C和D）的秋冬季节，在美国南卡罗来纳州克莱姆森大学校园内的Calhoun Fields研究农场进行。研究地点土壤为Tocca系列，土壤质地为砂壤土。试验采用完全随机区组设计，设五个处理和三个重复。处理包括：禾谷类黑麦、绛三叶草、中红三叶草、白萝卜和一个休闲（自然植被）处理。每个覆盖作物处理种植在独立的2.52平方米的小区中。试验前，田间通过圆盘耙耕作以清除前茬作物残留和杂草。所有处理均在3月通过手工剪刀在地表处刈割终止地上部生物量，并将其留在土壤表面。
2.2. 数据收集
2.2.1. 团聚体稳定性
采用美国农业部土壤质量检测试剂盒指南中的方法测定团聚体稳定性。计算公式为：水稳性团聚体（%）= [（干团聚体重 - 沙重）/（干土重 - 沙重）] × 100。在EXP C和D期间，分别于试验开始、中期、覆盖作物终止时和经济作物种植时测量团聚体稳定性。
2.2.2. 入渗率
采用改进的单环入渗法测定入渗率。记录一英寸水（444毫升）完全入渗土壤所需的时间。在EXP C和D期间，于试验开始、中期和覆盖作物终止时测量。
2.2.3. 土壤水排斥性
在整个试验期间，每两周对田间湿润和风干土样使用水滴渗透时间（Water Drop Penetration Time, WDPT）测试法测定SWR。用土壤取样器采集0-12厘米深度的土壤芯，在1、2、3、4、5、6、8、10和12厘米深度滴加去离子水（50微升），记录水滴完全被土壤吸收所需的时间。水滴渗透时间超过5秒被认为是存在排斥性的迹象。土壤芯风干两周后，再次进行WDPT测试，以模拟长期干旱期的影响。
2.2.4. 疏水性与组织分析样品收集
在覆盖作物终止时和终止后四周，从每个小区收集地上部生物量样品。样品在60°C烘箱中烘干至恒重。一份子样品送至实验室进行组织分析，测定氮、磷、钾、钙、镁等养分含量。另一份烘干生物量子样品研磨至小于2毫米，送至西班牙塞维利亚自然资源与农业生物学研究所，利用WDPT法测定其疏水性。每个样品进行五次重复测定。养分累积量的计算公式为：养分累积量 = 干生物量 × 养分含量。
2.3. 数据分析
使用JMP软件进行参数统计分析，使用R Studio进行非参数分析。分别对每个实验的团聚体稳定性、入渗率、疏水性、养分含量和干生物量数据进行分析，采用混合模型或非参数检验（如Friedman检验）评估处理间差异，显著性水平设为p ≤ 0.05。
3. 结果
3.1. 团聚体稳定性与入渗率的短期变化
覆盖作物处理对团聚体稳定性无显著影响，但取样时间有显著影响。在覆盖作物生长中期采集的土样，其水稳性团聚体比例（15-75%）显著低于覆盖作物终止时采集的土样（44-88%）。终止后四周采集的土样分析显示，覆盖作物处理对团聚体稳定性（60-85%）也无显著影响。入渗率的结果在不同实验间存在差异。在EXP C中，覆盖作物处理以及覆盖作物与时间的交互作用对入渗率有显著影响。在EXP D中，仅有取样时间有显著影响，终止时的入渗率显著快于试验中期。
3.2. 土壤与覆盖作物残余物的疏水性
在整个试验期间，所有覆盖作物小区土壤在所有测量深度均呈湿润性（WDPT < 5秒），未观察到SWR的证据。然而，覆盖作物残余物本身则表现出不同程度的疏水性。烘干、研磨后的植物样品的平均WDPT值在实验间、物种间和残余物“年龄”间变化很大，范围从8秒到4174秒不等。其中，EXP A中为20-407秒，EXP B中为8-1908秒，EXP C中为157-2627秒，EXP D中为60-4174秒。统计分析表明，在EXP A和EXP B中，覆盖作物物种和残余物“年龄”的交互作用对WDPT有显著影响，但在EXP C和EXP D中不显著。
结果显示，所有覆盖作物残余物均表现出一定程度的疏水性。具体而言，在EXP A中，所有新鲜残余物（终止时采集）均为强疏水性（WDPT ≥ 60秒）。在EXP B和C中，新鲜禾谷类黑麦和绛三叶草残余物为极强疏水性（WDPT > 600秒，超过10分钟）。在EXP D中，新鲜绛三叶草残余物甚至表现出极端疏水性（WDPT > 3600秒）。
关于残余物“年龄”的影响，在EXP A中，四周龄残余物的WDPT与新鲜残余物在三个物种中相似，仅白萝卜的四周龄残余物疏水性显著低于其新鲜残余物。在EXP B中，绛三叶草、白萝卜和中红三叶草的四周龄残余物WDPT显著低于其新鲜残余物，表明随着分解，疏水性降低。在EXP A和B中，四周龄残余物的WDPT从未显著高于新鲜残余物。值得注意的是，虽然白萝卜在EXP A和B中四周龄残余物疏水性较低，但在EXP C和D中，其四周龄残余物仍为极强疏水性，表明天气条件可能影响其分解和疏水性变化。在所有实验中，休闲处理的疏水性通常最低。
3.3. 覆盖作物的养分含量
覆盖作物的养分含量在不同实验间存在差异。在EXP A中，当存在显著差异时，白萝卜处理的钙和镁含量高于休闲处理。在EXP B中，绛三叶草处理的氮、钾、钙、镁含量显著高于中红三叶草。在EXP C和D中，绛三叶草和中红三叶草在所有测量的养分（氮、磷、钾、钙、镁）上均相似，且两者通常都是养分含量最高的处理。在EXP B、C和D中，禾谷类黑麦处理的钙含量始终是其中之一。养分含量的变化可能归因于降雨和气温等环境因素对生物量生产的影响。
4. 讨论
4.1. 覆盖作物对团聚体稳定性和入渗率的短期效应
由于本研究未发现SWR，因此SWR未对团聚体稳定性和入渗率的短期变化起作用。团聚体稳定性的短期变化主要受取样时间影响，从覆盖作物生长中期到终止期间有所增加，这很可能与植物根系的物理缠绕、化学分泌物增加土壤有机碳以及促进土壤微生物活动有关。覆盖作物处理与休闲处理之间在团聚体稳定性上无显著差异，这可能与休闲处理也产生了足够的生物量以提供土壤物理保护有关。入渗率的结果不一致，可能受到耕作、土壤质地、蚯蚓活动等多种因素影响，且覆盖作物对入渗率的改变通常需要更长时间才能显现。
4.2. 覆盖作物作为必需养分的来源
随着覆盖作物分解，它们将养分释放回土壤供后续经济作物利用。养分释放量取决于覆盖作物组织中的养分含量。本研究中，豆科植物（绛三叶草和中红三叶草）通常具有最高的氮含量，这得益于其固氮能力。禾谷类黑麦则是有效的氮清除者。虽然本研究未分析疏水性物质和有机质含量，但前人研究表明，生物量产量更高的覆盖作物可能导致更高的土壤有机质含量，并可能增加源自植物材料的疏水性物质（如蜡质）的相对丰度。特别是C3植物（如禾谷类黑麦）已知含有更多的表皮蜡质，可能增加土壤中的疏水物质，从而促进SWR的发展。此外，覆盖作物提供的养分可能刺激土壤微生物，产生更多疏水性副产物，长期可能促使SWR形成。
4.3. 土壤水排斥性的缺失
在四个田间试验期间均未观测到SWR。这可能是由于试验期间的田间管理（如耕作）和气候条件所致。耕作可机械破碎有机物质，减少与SWR相关的土壤有机质和有机碳，并加速分解。本研究中的SWR测量均在冬季月份进行，此时南卡罗来纳州气候温和，没有极端高温或长期干旱。SWR更可能在极端高温或长期干旱条件下发生，因为干旱条件有利于有机物质重新排列，使其疏水尾部暴露。南卡罗来纳州夏季炎热，若将测量延长至夏季，可能会观测到SWR。此外，湿润气候通常有利于有机物质生产，从而更可能产生SWR。未来研究应在免耕等不同管理措施下，并在夏季月份，对美国南部更多地点进行SWR测量，以厘清管理、地点和气候条件对其的影响。
4.4. 覆盖作物的疏水性及其对土壤水排斥性的潜在影响
本研究的核心发现是，所有供试覆盖作物及其残余物均表现出疏水性，表明它们有潜力诱发或加剧田间SWR。这与前人研究结果一致。不同植物物种因其生化特性（疏水性化合物的类型和数量）不同，表现出不同程度的疏水性。在本研究中，不同覆盖作物物种的WDPT值差异很大。此外，分解过程会影响植物残余物对SWR发展的作用。本研究中，四周龄残余物在多数情况下比新鲜残余物的疏水性更低，这与地中海灌丛等生态系统的研究趋势相符。
5. 结论
本研究证实，美国东南部常见的覆盖作物（禾谷类黑麦、绛三叶草、中红三叶草、白萝卜）残余物均具有疏水性，其水滴渗透时间范围很广（49至4174秒），表明它们具有影响土壤水排斥性发展的显著潜力。所有覆盖作物残余物都表现出了疏水性。研究结果表明，农民可能需要根据经济作物的种植时间与覆盖作物终止时间的关联，考虑选择不同的覆盖作物物种。在终止后等待数周再种植经济作物，可能有助于降低SWR发生的风险和严重程度，因为四周龄残余物的疏水性在多数情况下低于新鲜残余物。在气候变化的背景下，考虑覆盖作物对SWR的影响，将使农民能够做出明智的管理决策，以缓解SWR的发展，并在变化的气候中维持土壤健康。未来的研究应致力于测定更多覆盖作物物种的疏水性，分析其诱导SWR的具体化学物质，并在更广泛的土壤类型、管理实践和气候条件下进行长期监测。
