多年生饲草与奶牛粪浆协同提升冷湿气候区土壤健康的早期效应

《Canadian Journal of Soil Science》：Early improvement of soil health under cropping systems including perennial forage crops and dairy cattle slurry in a cool humid climate

本研究针对加拿大东部地区农田多年生饲草面积减少、粪肥管理方式转变导致的土壤健康问题，通过比较一年生作物与多年生饲草系统在不同氮源（化肥、奶牛粪浆、生物固氮）下的土壤健康指标变化。研究发现，在三年内实施多年生饲草和奶牛粪浆可显著提升土壤团聚体稳定性、微生物生物量碳氮和颗粒有机质含量，尤其在初始有机质较低的土壤中改善效果更显著，为农田土壤碳固存和健康管理提供了短期实践依据。

　　

在加拿大东部地区，奶牛养殖场正经历着深刻的土地利用变革。过去十年间，为了追求更高的经济效益，许多农场逐渐减少多年生饲草作物的种植面积，转而扩大一年生作物如玉米和大豆的规模。与此同时，牲畜粪便管理方式也从传统的固体堆肥向液体粪浆转变。这些变化对农田土壤健康产生了深远影响，特别是土壤有机质的积累和结构稳定性面临挑战。土壤作为农业生态系统的核心，其健康状态直接关系到作物的生产力、水质的保护、生物多样性的维持以及气候变化减缓能力。然而，在冷湿气候条件下，关于这些管理转变如何影响土壤健康指标的早期响应，尤其是多年生饲草与液体粪浆配合使用的协同效应，尚缺乏系统研究。

发表在《Canadian Journal of Soil Science》上的这项研究，由加拿大农业与农业食品部魁北克研发中心的émilie Maillard领衔的团队完成，旨在探究不同种植制度与氮源管理对土壤健康指标的早期影响。研究人员在安大略、魁北克和新斯科舍三个地点建立了田间试验，比较了一年生作物序列（饲用玉米-大豆-饲用玉米）与多年生饲草系统，并设置了三种氮源处理：矿物肥料、奶牛粪浆和生物固氮（通过苜蓿实现）。通过三年（2016-2018年）的监测，团队系统评估了土壤团聚体平均重量直径、微生物生物量碳氮、颗粒有机质碳氮及非分级土壤碳氮等关键指标的变化。

研究采用的主要技术方法包括：田间试验采用裂区设计，在三个地点分别设置重复；土壤团聚体稳定性通过湿筛法测定；微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸提取法；土壤有机质组分通过粒径分馏法分离颗粒有机质和细有机质；碳氮浓度使用CNS分析仪测定；统计分析采用混合模型和主成分分析。

3.1. 土壤团聚体平均重量直径和粒径分布

研究结果显示，奶牛粪浆处理显著提高了圣奥古斯丁和特鲁罗站点的团聚体平均重量直径，分别增加8%和12%。在特鲁罗站点，粪浆处理还降低了<0.25毫米微团聚体的比例。虽然作物类型对平均重量直径的影响较小，但多年生饲草在2018年显著降低了微团聚体比例，表明其有助于改善土壤结构。

3.2. 颗粒有机质和微生物生物量中的碳氮浓度

颗粒有机质碳浓度在多年生饲草系统中显著增加，渥太华和圣奥古斯丁站点分别增加31%和81%。奶牛粪浆处理使微生物生物量碳浓度在各站点提高16%-36%，微生物生物量氮浓度在多年生系统中增长57%-160%。这些活性有机质组分对管理措施的响应比非分级土壤更为敏感。

3.3. 细有机质中的碳氮浓度

细有机质组分的响应相对较弱，仅在特鲁罗站点发现奶牛粪浆处理显著提高了细有机质碳（5%）和氮（8%）浓度，表明其稳定性较高。

3.4. 非分级土壤中的碳氮浓度

非分级土壤碳浓度在多年生饲草系统中显著增加，渥太华、圣奥古斯丁和特鲁罗站点分别增加10%、15%和40%。奶牛粪浆处理使土壤碳浓度提高7%-31%，氮浓度提高12%-43%。初始土壤碳含量较低的站点（特鲁罗）表现出更显著的碳积累。

3.5. 多年生地块中不同氮源的差异

与苜蓿-禾草混播系统相比，禾草单播配合奶牛粪浆处理在多数站点表现出更高的碳氮浓度，而苜蓿系统与矿物肥料处理效果相当，说明粪浆的碳输入和根系周转对土壤健康改善更为关键。

3.6. 各站点特定土壤健康指标之间的关系

主成分分析表明，土壤团聚体稳定性、微生物生物量碳氮和颗粒有机质碳氮呈正相关，可分为微生物主导和颗粒有机质主导两组指标。多年生饲草配合奶牛粪浆处理的样本聚集在正相关区域，而一年生作物配合矿物肥料处理则位于负相关区域。

研究结论强调，在冷湿气候条件下，即使短期内（1-3年）实施多年生饲草系统和奶牛粪浆管理，也能显著改善表层土壤健康。这种改善在初始有机质含量较低的土壤中更为明显，且黏土含量高的土壤响应更快。活性有机质组分（如微生物生物量和颗粒有机质）比非分级土壤更能敏感地反映管理变化。土壤团聚体稳定性的改善主要与微生物生物量碳的增加相关，而非颗粒有机质。此外，多年生饲草与奶牛粪浆的协同效应显著优于单一措施，而苜蓿的加入并未带来额外益处。

这项研究的意义在于为农场管理和政策制定提供了实证依据，鼓励在一年生作物系统中重新引入多年生饲草和牲畜粪浆，以快速提升土壤健康水平和碳固存能力。特别是在土壤有机质偏低的农田，这种管理转变可在短期内实现生态与生产效益的双赢。未来研究需关注这些措施对深层土壤健康和作物产量的长期影响。