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摘要：该研究探索了三种覆盖作物残留物（黑麦、毛苕子和黑麦/毛苕子混合物）在两种耕作制度（免耕和少耕）下在玉米农业生态系统中分解期间的酶活性动态。确定酶活性或化学计量是否取决于残留物质量或者能否指示氮循环潜力。研究结果表明，覆盖作物和耕作制度显著影响了残留物中脲酶和β-葡萄糖苷酶的活性动态和数量。这些结果表明种植者应考虑最佳覆盖作物冬季生物量积累水平，以避免潜在的氮固定。
关键词：耕作制度、覆盖作物
文 章 信 息
译名：不同耕作制度下覆盖作物酶活性及土壤铵浓度
发表时间：2021年5月
期刊IF：4.5（2023）
第一单位：普渡大学农学院农学系
通讯单位：普渡大学农学院农学系
文 章 亮 点
·覆盖作物残茬酶活性受覆盖作物物种类型的影响；
·免耕增加了分解覆盖作物的碳循环酶活性；
·土壤铵态氮浓度与覆盖作物残茬酶活性有关；
·黑麦可能会在玉米氮需求期间固定氮；
文 章 简 介
1 研究意义
近年来，人们越来越关注通过采用覆盖作物和减免耕等保护性管理措施来改善农业生态系统的土壤健康。覆盖作物如黑麦具有增加土壤有机碳、减少土壤侵蚀和压实、提高水分渗透等生态系统服务。黑麦的氮吸收能力也引起了关注，因为它可以减少潜在的硝酸盐流失，从而改善水质。但是，在黑麦终止后可能会对玉米产量产生负面影响，这是限制覆盖作物广泛采用的一个障碍。这是由于黑麦在终止后可能会导致微生物对氮的需求增加，从而导致土壤氮的固定，影响玉米的氮需求。对于覆盖作物氮在终止后的命运以及与玉米氮需求的同步性，目前知之甚少。了解微生物群落在覆盖作物分解过程中的响应，有助于提高对覆盖作物氮命运的认知，从而促进覆盖作物的采用和土壤健康的提高。2 研究方法
研究地点为美国印第安纳州蒂普卡努县的普渡大学农业研究与教育中心。实验采用裂区设计，设有两个实验因子:覆盖作物和耕作制度。覆盖作物处理包括黑麦(CR)、毛苕子(HV)和CR/HV混合，每种耕作制度处理又分为免耕和少耕两个耕作制度。覆盖作物于2015年和2016年9月播种，2016年和2017年4月14日化学终止。覆盖作物终止后，所有试验区均施用240
kg N/ha的无水氨，少耕区进行15
cm的盘耕，免耕区未进行耕作。玉米作物于2016年4月26日和2017年5月30日播种。覆盖作物终止后(4月14日)收集地上部生物量，测定生物量、总碳和总氮含量，计算C:N比。在2016年5月1日和2017年5月9日将覆盖作物地上部残体装入网袋，埋入少耕区或固定在免耕区。于5个时间点(玉米生育期)收集网袋，测定残体潜在酶活性。潜在β-葡萄糖苷酶活性测定，潜在脲酶活性测定。![]()
3 结果
3.1 覆盖作物生物量积累和碳氮比
研究发现，在2016年，混合覆盖作物、黑麦和毛苕子的地上部生物量分别为1967 kg/ha、1858 kg/ha和418 kg/ha。而在2017年，混合覆盖作物(916 kg/ha)和黑麦(888 kg/ha)的生物量显著低于2016年(p<0.05)，但毛苕子的生物量(512 kg/ha)略有增加。在2016年，黑麦、毛苕子和混合覆盖作物的C:N比分别为16.6:1、12.9:1和16.0:1。而在2017年，这三种覆盖作物的C:N比分别为21.1:1、11.9:1和20.5:1。在两年中，黑麦和混合覆盖作物的C:N比显著高于毛苕子。3.2 分解过程中的降水量和土壤温度
研究发现，在2017年，研究期间的总降水量为601.6 mm，比2016年的540.6 mm多61 mm，尽管2017年的研究期比2016年短57天。在2016年，8月1日至9月23日之间的降水量最高(226.1 mm)。而在2017年，最大降水量发生在覆盖作物终止和第一次采样日期(5月22日)之间(211.8 mm)。平均裸土温度在2016年和2017年整个分解期内相似，分别为23.6 ± 4.9 ℃和23.5 ± 4.9 ℃。2016年的最高平均土壤温度出现在第二次(6月8日)和第三次(6月28日)采样日期之间(26.5 ± 2.0 ℃)。而在2017年，最高平均土壤温度出现在第三次(7月3日)和第四次(7月25日)采样日期之间(28.1 ± 1.7 ℃)。(Tab.1)(Fig.1)3.3 残留β-葡萄糖苷酶活性
研究发现，在2016年和2017年的分解期内，不同覆盖作物残留物及不同耕作方式下，残留物的β-葡萄糖苷酶活性存在显著差异。在2016年，不同覆盖作物残留物和耕作方式下的β-葡萄糖苷酶活性没有显著差异。在2017年，混合覆盖作物残留物的β-葡萄糖苷酶活性显著高于黑麦和毛苕子残留物，且免耕处理下的活性也显著高于少耕。这些结果表明，覆盖作物类型和耕作方式会影响残留物分解过程中的碳水化合物分解能力。这可能与降水和土壤温度等环境因素的变化有关，从而影响了微生物活性和酶活性。(Tab.2)(Fig.2)![]()
3.4 残留脲酶活性
研究发现，在2016年，在覆盖作物终止后111天，脲酶活性显著高于终止后40、55和75天，与终止后180天的活性相似。少耕处理下的脲酶活性显著高于免耕处理。此外，玉米秸秆和混合覆盖作物的脲酶活性显著高于毛苕子。在2017年，少耕处理在终止后38、60、80和102天的活性显著高于免耕处理。免耕处理在终止后123天的活性显著低于之前的各个采样时间点。少耕处理在终止后38天的活性峰值显著高于免耕处理。总之，覆盖作物类型、耕作方式和采样时间都会影响残留物中的脲酶活性。这可能与环境因素的变化，如降水和土壤温度，以及微生物活性的变化有关。(Fig.3)![]()
3.5 酶活性比
研究发现，在2016年分解期间:黑麦、毛苕子和混合物残留物在少耕和免耕处理下的酶活性比值均小于1。在2017年分解期间:酶活性比有所上升，但仍然小于1。酶活性比可以反映微生物在分解过程中对碳和氮的需求。(Fig.4)![]()
3.6 土壤铵浓度
研究发现，在2016年氨浓度在覆盖作物终止后39天达到最高(9.6 mg/kg)，在免耕处理下109天后达到最高(5.4 mg/kg)。2017年，土壤氨浓度在分解期间有所波动。在覆盖作物终止后75、108和129天，土壤氨浓度显著高于24和46天，在覆盖作物终止后108天达到最高(40.8 mg/kg)，比2016年的峰值高5.8倍。(Fig.5)4 讨论
通过研究覆盖作物的种类、耕作方式以及环境条件对覆盖作物残留物分解过程中的土壤氨浓度动态的影响。研究发现，覆盖作物的种类、耕作方式以及环境条件(如降水和土壤温度)都会影响覆盖作物残留物分解过程中的土壤氨浓度动态。2016年和2017年，土壤氨浓度在分解期间有所波动，并在不同时间点达到峰值。这表明覆盖作物的种类、耕作方式以及环境条件都会影响土壤氨浓度的动态变化。耕作方式对酶活性有显著影响。免耕处理下脲酶活性通常低于春季耕作处理。这可能是由于耕作方式对微生物活性和养分循环产生影响。碳氮获取酶活性比值在2016年分解期间一直小于1，表明微生物对氮的需求相对于碳更大。而在2017年，春季耕作处理的碳氮获取酶活性比值较大，表明微生物对碳的需求相对更大。2017年，较高的降水量可能导致了较低的β-葡萄糖苷酶活性，这表明环境条件对酶活性的影响。5 结论
研究结果表明，覆盖作物的种类、耕作方式以及环境条件都会影响覆盖作物残留物分解过程中的土壤养分动态和微生物活性。这对于理解和管理农田养分循环过程具有重要意义。Reference:
Nevins,
C. J., Lacey, C., & Armstrong, S. (2021). Cover crop enzyme activities and
resultant soil ammonium concentrations under different tillage systems. European Journal of Agronomy, 126, 126277.
https://doi.org/10.1016/j.eja.2021.126277
本期分享来自2022级农艺与种业专业硕士研究生唐南南
