覆盖作物促进牧草放牧后土壤物理性质恢复的机制研究及其在可持续农业中的应用

针对冬季牧草放牧导致的土壤压实和物理退化问题，研究人员通过6项田间试验系统评估了覆盖作物(Catch crops)对土壤孔隙度、导水率(Ks)和S指数等关键指标的恢复效果。研究发现传统翻耕(CT)和新型旋耕播种一体机(SD)能显著改善表层0-7.5cm土壤结构，其中SD在湿润条件下可实现更早播种，为缓解放牧引起的土壤退化提供了创新解决方案。

　　

冬季牧草放牧是畜牧业生产的常见方式，但由此引发的土壤物理退化已成为威胁农业可持续发展的全球性问题。在湿润气候条件下，牲畜踩踏导致的土壤压实会显著降低孔隙度、导水率和作物产量，同时增加氮素流失和温室气体排放风险。尽管已有研究关注放牧对草地土壤的影响，但对耕作土壤在牧草放牧后的恢复机制，特别是覆盖作物与不同耕作方式的协同效应仍缺乏系统认知。

西北农林科技大学资源环境学院的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表的最新研究中，通过2018-2020年间在新西兰坎特伯雷和南地大区开展的6项田间试验，首次全面评估了覆盖作物对牧草放牧后土壤物理性质的修复作用。研究采用随机区组设计，比较了传统翻耕(CT)、直接播种(DD)和旋耕播种一体机(SD)三种耕作方式下，燕麦等覆盖作物对土壤总孔隙度(ε_tot)、大孔隙度(ε_mac)、饱和导水率(K_s)等指标的影响。通过采集0-28.5cm分层土样，结合Van Genuchten模型拟合水分特征曲线，量化了不同处理对土壤物理质量的改善效果。

主要技术方法

研究在4个试验点设置放牧前、放牧后和收获期三次采样，测定7.5cm深度土芯的物理性质。使用恒水头法测定K_s，通过-5至-600cm水势下的持水曲线计算孔隙分布参数。采用线性混合效应模型(LMM)分析处理效应，关键指标进行对数转换以满足正态性假设。

3.1 土壤物理退化特征

放牧使表层土壤ε_mac降低2.6-94.3%，K_s从1548mm day^-1骤降至88mm day^-1。饲料甜菜放牧区的退化程度显著高于羽衣甘蓝区，如Te Pirita-2019试验点K_s降幅达94.3%。南地大区因黏土含量高、排水差，自然恢复能力明显弱于坎特伯雷地区。

3.2 土壤物理恢复机制

覆盖作物使ε_mac提升33%，CT处理在Hororata-2018试验中ε_tot从0.55增至0.61cm³ cm^-3。SD表现出特殊优势：在Lumsden-2019试验中，其K_s恢复效果优于CT（4694 vs 1308mm day^-1），且能提前3-8周完成播种。深度分析显示修复效果集中在0-7.5cm土层。

研究意义与创新

该研究首次证实覆盖作物结合SD技术可在湿润条件下实现"耕作-修复-减排"协同：①机械松土直接改善土壤结构；②早播延长作物生长期，通过生物孔隙和根系分泌物促进团聚体形成；③增加生物量可同步减少氮淋溶。相比传统翻耕，SD减少土壤翻转幅度，降低在湿润土壤中操作引发的结构破坏风险。研究为制定区域性放牧后土壤修复方案提供了实证依据，其中SD技术对气候变化背景下冬季降水增加的适应性管理具有特殊价值。未来研究需量化不同机制对恢复过程的贡献率，并评估其对后续主栽作物产量的延续效应。

这项由Jinbo Li等学者完成的工作，将工程创新与农艺措施有机结合，为可持续牧草种植系统建立了可推广的技术范式。其成果不仅适用于新西兰，对全球温带湿润区的牧场管理均有重要参考价值，特别是在平衡畜牧业生产与环境保护方面提供了关键技术路径。