《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Cover crops and optimal N management reduce nitrate leaching to background levels in grass-clover—barley rotations on sandy soil
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本文为解决草-三叶草轮作后土壤氮矿化导致的硝酸盐淋溶风险问题，研究人员通过农场实验探究了不同氮肥管理历史与后续覆盖作物策略（意大利黑麦草）对硝酸盐淋失的影响。研究发现，在轮作的第一个大麦季使用意大利黑麦草作为覆盖作物，可将淋溶量减少70-95%，使整个四年轮作周期的硝态氮浓度降至2.0–3.5 mg NO3-N L-1的低水平。该研究表明，通过优化施肥和引入高效覆盖作物，即使在氮负荷限制严格的区域，也能设计出满足环保要求的混合作物轮作系统。
在丹麦等国家的奶牛养殖业中，草-三叶草混播草地（grass-clover leys）扮演着关键角色。它们不仅是重要的饲草来源，还能通过豆科作物的生物固氮作用为土壤增添氮素，甚至有助于土壤固碳。然而，凡事皆有两面。当轮作周期进入耕作用地阶段，翻耕这些临时草地会触发一个“甜蜜的烦恼”——大量在草地阶段累积的土壤有机质（SOM）会迅速矿化，释放出可观的氮（N）。如果这些释放的氮素不能被后续作物及时“抓住”，它们就会成为环境中的“逃兵”——主要以硝酸盐（NO3-）的形式淋失，污染地下水和沿海水域，对生态系统构成威胁。尤其在丹麦砂质土壤上经营的奶农，正面临着欧盟《水框架指令》要求降低氮负荷的严格监管压力，寻找既能维持生产又能最大限度减少氮流失的农业实践迫在眉睫。那么，如何在草-地轮作中“锁住”这些氮，实现高效利用与环境保护的双赢呢？
为了解决这一问题，由研究人员开展了一项为期四年的实地农场实验，旨在设计一种在整个轮作周期内氮利用效率高、环境影响最小的砂土耕作系统。相关研究结果发表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》期刊上。
关键技术方法概述
研究在丹麦日德兰半岛两个具有对比性的商业农场（SW和MW站点）进行，土壤均为砂土。实验周期为四年，前两年为草地阶段，后两年为耕地阶段。草地阶段：设置了11种氮肥处理（0–480 kg 有效氮 ha?1yr?1），包括单独施用矿物肥料或与牛粪浆（cattle slurry）基施组合，并设置了一个根据三叶草含量调整施肥的“可变氮”处理。耕地阶段：翻耕草地后，连续两年种植春季大麦。第一年（2020年）的大麦作为青贮全株作物早期收获，并间作意大利黑麦草（Lolium multiflorum L.）作为覆盖作物（仅“可变氮”处理小区不种覆盖作物，设为“秋季裸地”对照）。第二年（2021年）翻耕意大利黑麦草后，再次种植春季大麦并间作草-三叶草混合物。数据采集：测定了翻耕前的根系和残茬生物量及氮含量、各茬作物的干物质产量和氮吸收量。硝酸盐淋溶测定：在耕地阶段，于每个小区1米深处安装三个吸力杯，在秋冬季定期采集土壤溶液，分析硝态氮浓度，并结合估算的排水量计算硝酸盐淋失量。
研究结果
1. 被翻耕的植物残体
在2020年春季翻耕前，测定了0–20厘米土层中草-三叶草草地的根系和残茬。两个站点不同氮肥处理下的根部和残茬干物质生物量及氮含量均无显著差异。但高氮施肥处理（360和480 kg N ha?1）导致根系碳氮比（C/N ratio）显著降低，这主要是由于氮含量较高所致。
2. 产量与残留效应
在耕地阶段第一年（2020年），大麦全株作物及两茬意大利黑麦草的产量和氮吸收显著受到前茬草地施肥历史的影响。总体而言，未施肥的草-三叶草处理或施用粪浆加低量矿物氮的处理，其残留氮效应（legacy effect）最高。在MW站点，粪浆与矿物肥组合处理下的残留效应普遍高于仅施矿物肥的处理。值得注意的是，对第一年大麦额外施用60 kg N ha?1（60N处理）显著增加了产量和氮吸收。在耕地阶段第二年（2021年），施肥历史的影响大大减弱，仅在不种植覆盖作物的处理中，大麦产量显著更高，这可能与意大利黑麦草覆盖作物对氮的“预竞争”（pre-emptive competition）消耗有关。
3. 硝酸盐淋溶
在草地翻耕后的第一个秋季和冬季（2020–21年），无论前茬草地的施肥水平如何，只要大麦田间作了意大利黑麦草，硝酸盐淋溶量都非常低（SW站点：4–8 kg N ha?1；MW站点：6–18 kg N ha?1），且处理间无显著差异。即使是额外施肥的60N处理，淋溶也未增加。相比之下，未种植覆盖作物的“秋季裸地”处理，其淋溶量显著增高（SW：79 kg N ha?1；MW：59 kg N ha?1）。这相当于覆盖作物策略使硝酸盐淋失减少了70–95%。在第二年（2021–22年），硝酸盐淋溶量有所增加（SW：17–41 kg N ha?1；MW：12–32 kg N ha?1），但施肥历史的影响不显著。
对整个四年轮作期（两年草地+两年耕地）的平均淋溶进行分析发现，在低至中等施肥水平（0–240 kg N ha?1）下，四年平均的流量加权硝态氮浓度（flow-weighted nitrate concentrations）极低，仅为2.0–3.5 mg NO3-N L?1。而在高施肥水平（360–480 kg N ha?1）下，平均浓度升高至3.6–7.0 mg NO3-N L?1。所有处理在耕地年份的硝态氮浓度都很低，除了未使用覆盖作物的处理（10.7 mg NO3-N L?1）。
研究结论与意义
本研究系统评估了草-三叶草草地不同氮肥管理对后续轮作作物的遗留效应，并检验了覆盖作物策略在减少硝酸盐淋失方面的效果。主要结论如下：首先，在砂质土壤上，翻耕临时草地会伴随显著的氮释放，但对后续作物产量的遗留效应与施肥历史的关联并不如预期紧密，高氮盈余并未完全转化为作物可利用氮或导致淋溶立即增加，这可能与部分氮被固定于土壤有机质库或通过反硝化等气态损失有关。其次，也是最关键的发现：在草地翻耕后的第一年，于春季大麦中套种意大利黑麦草作为覆盖作物，是一项极其高效的策略。它能将硝酸盐淋溶量从无覆盖作物时的59–79 kg N ha?1大幅降低至4–18 kg N ha?1，降幅达70–95%，且不受前茬草地施肥水平的影响。这意味着，即使前茬施肥量较高，通过覆盖作物也能有效“锁住”氮。最后，综合草地阶段的优化施肥（120–240 kg 有效氮 ha?1yr?1）与耕地阶段高效的覆盖作物策略，可以将整个四年轮作周期的平均硝态氮淋溶浓度降至2.0–3.5 mg NO3-N L?1的极低水平，远低于欧盟《硝酸盐指令》（Nitrate Directive）为地下水设定的11.3 mg NO3-N L?1（即50 mg NO3-L?1）阈值。
这项研究具有重要的实践指导意义。它为解决密集型畜牧业地区，特别是砂质土壤上奶农面临的环保与生产平衡难题，提供了一个清晰可行的技术方案。研究表明，通过精心设计包含高效覆盖作物的混合作物轮作系统，即使是在对氮负荷有严格限制的敏感水域区域，农业生产也能在满足产量需求的同时，将氮素环境损失降至接近休耕地的“背景水平”。这为政策制定者和农场管理者设计可持续的农业景观，实现《水框架指令》目标，提供了强有力的科学依据。尽管该策略（使用大麦全株作物+意大利黑麦草）在饲料产量和质量上可能不如奶农偏好的青贮玉米，但其在环境效益上的巨大优势不容忽视。未来的研究方向可以集中于优化玉米种植与草-三叶草轮作的结合，例如探索覆盖作物、精准氮管理、硝化抑制剂和间作等策略，以期在保证环境安全的前提下，进一步挖掘系统的生产潜力。
