混作轮作中的土壤物理健康：草地比例、牛粪及草种多样性的作用

《Soil Use and Management》：Soil Physical Health in Mixed Crop Rotations: Roles of Grassland Proportion, Cattle Manure and Grass-Mixture Diversity

　　**摘要**

将草地整合到作物系统中有利于养分循环和杂草控制。除此之外，草地还能提高土壤有机碳（SOC）和结构稳定性（SS）。本研究通过在丹麦进行的长期轮作实验，考察了草地比例、施肥以及草地混种（无论是在草地阶段还是在后续作物生长期间）对0–20厘米耕作层中SOC含量、水稳聚集体（WSA）和粘土分散性（CD）的影响。样本来自两种作物轮作模式（每6年中有2年或4年的草地），其中包括后续作物。其中一种草地混合物包含3种草类（黑麦草 [Lolium perenne L.] [80%]、白三叶草 [Trifolium repens L.] [16%] 和红三叶草 [Trifolium pratense L.] [4%]），另一种混合物包含12种草类（3种草类 [75%] + 5种杂草 [14.4%] + 4种豆科植物 [10.6%]），这两种草地都接受了不同程度的施肥或有机肥施用（牛粪；总氮含量为300公斤/公顷）。研究表明，草地比例、施肥方式和草地混种之间并没有交互作用对SOC和SS产生影响。草地比例的增加以及施肥量的增加分别显著提高了WSA约2.5%，SOC增加了0.17克/100克和0.11克/100克。只有草地比例对CD有显著影响，较高的草地比例与较低的CD值相关（约2.4克/千克）。SOC与CD之间存在负相关，但这种相关性随草地年龄的增长而减弱。较高的物种多样性改善了WSA，且即使经过耕作后，这种改善作用仍然会在后续作物中持续体现。这些发现表明，WSA对管理实践的响应速度比SOC更快，可能是评估草地轮作系统中土壤健康状况的更灵敏指标。

**1 引言**

作物轮作系统被认为是一种缓解集约化农业活动负面影响的潜在方法，而草地休耕地是这些系统中的关键组成部分。特别是那些具有更多物种混合的草地休耕地，据报道其草产量相似甚至更高（Finn等人，2013年；O’Malley等人，2026年），并且由于其固氮潜力、资源利用效率和生态位互补性，所需的外部投入更少（Finn等人，2013年；Nyfeler等人，2009年；Suter等人，2015年）。近年来，人们对草地休耕地对作物轮作系统中土壤健康影响的关注也有所增加，这主要是因为它们有助于增强土壤碳封存，从而有助于缓解气候变化。然而，这些影响的程度很大程度上取决于草地的持续时间和管理方式（Crème等人，2018年；Malisch等人，2024年）。草地富含有机和植物残余物，这些物质增加了土壤的碳含量；此外，真菌丝状体和中型生物的数量也较多（Hirsch等人，2017年）。植物根系和真菌丝状体将土壤团聚体结合在一起，有机物质的分解形成了有机-矿物复合体（Totsche等人，2018年）。这些结合剂的增加提高了结构稳定性，使土壤更不易受到侵蚀和表面结壳的影响（Zhang等人，2007年），同时促进了根系生长和增强了土壤生物多样性（Vos等人，2013年）。因此，碳含量和结构稳定性可以被视为混合种植系统中土壤物理健康状况的指标。土壤有机碳（SOC）是影响土壤结构稳定性的关键因素，土壤结构稳定性指的是土壤对外部力量（如水和/或机械力）的抵抗能力，通常通过团聚体稳定性和粘土分散性测试来评估（Chebet等人，2023年；Jensen等人，2019年；Qi等人，2022年；Rocco等人，2024年）。团聚体稳定性反映了土壤团聚体在水分作用下的抗分解能力（Gee和Or，2002年），而粘土分散性测试则表明粘土颗粒在受到机械干扰时分散的程度（Schj?nning等人，2012年）。稳定的土壤团聚体形成了良好的孔隙网络，改善了水分渗透和通气性，减少了表面结壳，最终支持了作物生长。此外，分散的粘土颗粒在塑造土壤物理性质方面起着关键作用，因为它们可能沉积在土壤孔隙中、土壤表面或团聚体表面，从而促进内部结壳和固化过程，不利于作物生长（Schj?nning等人，2012年）。因此，农业土壤中较低的粘土分散性和较高的团聚体含量是理想的。先前的研究表明，当草地融入农田后，SOC含量和土壤团聚体都会增加（Crème等人，2018年；Guillaume等人，2022年；Hu和Chabbi，2022年；Jensen等人，2022年；Stumpf等人，2018年）。在作物轮作系统中，草地的比例因农场而异，有证据表明这一比例的变化会影响SOC的动态（Jensen等人，2022年），这也可能影响土壤结构稳定性。然而，关于轮作中不同草地比例影响的研究较少。草地向耕地过渡通常涉及耕作（犁地），这被认为会降低SOC和土壤结构稳定性（Jensen等人，2020年）。尽管有一些研究探讨了耕地转化为草地后的SOC和结构稳定性（Chebet等人，2023年；Guillaume等人，2022年），但关于轮作中将草地转化为耕地作物的比较研究仍然有限。此外，草地终止时的耕作可能会影响SOC水平和土壤结构稳定性，草地对后续作物生长阶段的土壤也可能有累积效应，这需要进一步研究，尤其是在长期条件下。由于草地主要用作混合农牧系统的饲料来源，通常会施用牛粪作为有机肥料，牛粪已被证实可以增加SOC含量（Jensen等人，2022年），因为它含有多种碳来源（Lori等人，2017年）。因此，通过碳对矿物土壤颗粒间结合的影响，牛粪也可能在土壤团聚体的形成中发挥重要作用（Nivelle等人，2016年）。然而，牛粪对草地阶段SOC水平和结构稳定性的影响，以及其在后续耕地阶段的可残留效应，仍有待探讨。多样化的草地混合物常常包含禾本科植物（如黑麦草 [Lolium perenne L.]）和豆科植物（如白三叶草 [Trifolium repens L.]、红三叶草 [Trifolium pratense L.]），有时还包括杂草（如菊苣 [Cichorium intybus L.]、长叶车前 [Plantago lanceolata L.]）（Cooledge等人，2024年；Jensen等人，2025年）。不同植物物种对土壤的碳贡献不同，多样化混合物中的杂草可能通过增加根系生物量或含有有助于碳稳定的生物活性化合物来促进SOC的积累（Kagiya等人，2019年；McNally等人，2015年；Pol等人，2021年）。例如，Hafner和Kuzyakov（2016年）发现，豆科植物对土壤的碳贡献高于杂草，尤其是紫花苜蓿 [Medicago sativa]，其根系生物量和根际沉积物的碳贡献是菊苣的8倍。尽管人们对多样化草地混合物的兴趣日益增加，但关于草地-苜蓿混合物和多样化草地混合物对SOC动态和土壤结构稳定性影响的比较研究仍然有限，因为大多数研究（Chebet等人，2023年；Crème等人，2018年；Guillaume等人，2022年；Hu和Chabbi，2022年）都是将耕地与草地进行比较，而没有研究不同草地之间的差异。因此，专注于不同草地混合物的研究对于理解它们对土壤健康的影响至关重要，尤其是对SOC和土壤结构的影响。尽管有研究单独考虑了轮作中草地的比例、牛粪施用和草地物种组合，但长期研究它们累积效应的研究仍然不足。草地比例、牛粪施用和草地物种组合之间的相互作用可能会对土壤物理健康产生综合影响，然而这些相互作用尚不为人所充分理解。具体来说，以往的研究没有同时评估这三个管理因素，也没有评估它们在草地和后续耕地阶段的累积效应。在这项研究中，我们利用了一个长期的有机作物轮作实验来评估不同草地比例、牛粪施用和草地混合物对SOC浓度和土壤结构稳定性的单独及相互作用效应。这种长期设计独特地捕捉到了反复草地-耕地转换所产生的叠加和累积效应，使我们能够评估草地休耕时间、施肥和物种丰富度对土壤物理性质的影响，并检测潜在的交互效应。我们假设：（1）轮作中草地比例较高；（2）施用牛粪；（3）具有更高物种丰富度和功能群多样性的草地混合物；（4）这些因素的相互作用将提高SOC水平和土壤团聚体稳定性，并降低粘土分散性。

**2 方法论**

**2.1 实验地点和布局**

这项长期的有机奶牛作物轮作实验始于1987年，是在丹麦奥胡斯大学Foulumgaard实验站进行的6年轮作，其中包含2年的草地-苜蓿混合物（图1a）（Eriksen等人，1999年）。该地点的年平均温度和降雨量分别为8.2°C和673毫米（1991–2020年的平均值）。根据土壤调查数据（2022年），该地点的土壤类型为Hapludult，表土的质地为沙壤土，含有82%的沙粒、10%的粉砂和8%的粘土。土壤pH值为5.9（使用0.01 M CaCl2，1:2.5 w/w进行测定）（Thers等人，2022年）。图1展示了实验地点（北纬56°29′42″，东经9°34′14″）以及2024年长期奶牛/作物轮作的实验设计概览。田地被划分为两个区块，每个区块分别接受四种不同氮肥施用量（0、100、200和300公斤/公顷）。在每个区块内，又设置了两个草地混合物（3种草类和12种草类）的子地块。2006年，轮作方案进行了调整，分为两种草地比例不同的模式：一种为2年的草地阶段（占轮作的1/3），另一种为4年的草地阶段（占轮作的2/3）（Eriksen等人，2015年）。在两种轮作中，都通过在春季播种大麦来建立草地。草地阶段结束后，田地会被犁翻，然后种植后续作物，其中紧接着种植的是带意大利黑麦草作为覆盖作物的绿色大麦。包含1/3草地比例的轮作序列为：首先播种大麦并混种草地混合物，接着是2年的草地，然后是带意大利黑麦草的绿色大麦，随后是燕麦和黑麦草覆盖作物，最后是大麦/豌豆以及油菜萝卜覆盖作物。而包含2/3草地比例的轮作则从播种草地混合物开始，接着是连续4年的草地，最后是带意大利黑麦草的绿色大麦。在草地阶段，施用的牛粪量从0到300公斤/公顷不等，采用完全随机区组设计（图1b）。在耕地阶段，所有作物都接受了均匀施肥，其中播种大麦并混种草地混合物以及燕麦和黑麦草覆盖作物的地块接受了100公斤/公顷的牛粪；其他作物则没有接受施肥。牛粪的干物质含量为7%，NH4–N含量占总氮含量的56%，牛粪干物质中的总碳含量为44%。例如，当施用300公斤/公顷的牛粪时，相当于施用了2.97 Mg C/公顷的碳。2013年，在播种草地地块时引入了12种草类的混合物（Jensen等人，2025年），地块布局为两条宽4.5米的带状区域，每个区域各含有12种草类，中间还有一条宽6米的带状区域种植3种草类（图1b）。草地混合物的播种量为25公斤/公顷，由82%的黑麦草 [Lolium perenne L.]、14%的白三叶草 [Trifolium repens L.] 和4%的红三叶草 [Trifolium pratense L.] 组成。12种草类的混合物播种量也为25公斤/公顷，由61.2%的黑麦草 [Lolium perenne L.]、14.4%的杂草（菊苣 [Cichorium intybus L.]、长叶车前 [Plantago lanceolata L.]、蓍草 [Achillea millefolium L.] 和葛缕子 [Carum carvi L.] 以及24.4%的豆科植物（紫花苜蓿 [Medicago sativa L.]、白三叶草 [Trifolium repens L.]、梅利洛特 [Melilotus officinalis L.] 和鸟脚三叶草 [Lotus corniculatus L.] 组成。

**2.2 土壤采样**

我们重点研究了耕作层（0–20厘米），这是一个受耕作影响均匀的土壤层，从实际角度来看也非常重要，因为这一层主要接收来自叶部沉积、根系沉积和根系周转的有机物质，这些因素直接影响SOC动态和土壤结构，使其成为评估土壤健康状况的关键层。2024年11月，我们从两个轮作区的所有田地中采集了土壤样本，包括种植后续作物的田地以及施用两种不同量牛粪（0和300公斤/公顷总氮）的田地。总共收集了96个样本（6个田地 × 2种轮作模式 × 2种牛粪施用量 × 2种草地混合物 × 2个区块）。这两种具有不同草地比例的轮作制度建立于2006年，而两种草地混合模式则建立于2013年，从而能够在2024年采样时分别评估19年和12年的处理效果。从每个地块中采集了大约4000立方厘米的土壤样本，采样深度为6至15厘米（见图1b）。收集的样本在进一步分析前被保存在2℃的环境中，每个土壤样本的子样本被用于分析土壤有机碳（SOC）、团聚体稳定性和粘土分散性。实验地块中耕作层（0-20厘米）的粘土含量范围为6.8%至8.6%（Jensen等人，2022年）。因此，表土中的粘土含量在空间上变化较小，这有助于在不受土壤质地相关因素干扰的情况下分析处理效果。

2.3 土壤分析

2.3.1 土壤碳
从每个土壤样本中取出约100克的子样本，经过风干、粉碎后通过2毫米的筛子筛选，再进行进一步分析。总土壤有机碳（SOC）的测定采用高温干燃烧法，在950℃下使用Vario Max Cube设备（Elementar Analysensysteme GmbH，汉诺威，德国）进行测量。

2.3.2 团聚体的湿稳定性（WSA）
使用直径22毫米的小取芯器从每个田块湿润的土壤样本中取出约100克的子样本，然后手工轻轻粉碎，使其可以通过8毫米的筛子。每个地块测试两个重复样本。较大的石块和根段被剔除。团聚体稳定性在湿润的土壤条件下进行测量。样品被保存在2℃的环境中，并小心处理以最小化水分蒸发。团聚体湿稳定性的测试采用Eijkelkamp的湿筛装置（Royal Eijkelkamp，吉斯比克，荷兰），具体方法参考Rocco等人（2024年）的研究。大约4克的团聚体被放置在装置的筛子上（筛孔大小为250微米），并在测试前用人工雨水（0.012毫摩尔CaCl2、0.150毫摩尔MgCl2和0.121毫摩尔NaCl；pH值7.82；电导率2.24×10^-3西门子/米）湿润。湿润的目的是为了防止测试过程中团聚体发生崩解。筛子以每分钟34次的频率上下移动，每次移动的距离为13毫米，筛子放置在装有100毫升人工雨水的铝罐中。每批样品的筛分时间为3分钟（8个筛孔，8个样本）。3分钟后，留在筛子上的大于250微米的稳定团聚体被转移到预先称量的100毫升烧杯中，并在105℃下烘干（至少24小时）。烧杯达到恒重后，记录其重量。干燥后的沉积物通过2毫米的筛子过滤，筛子上剩余的颗粒被称重以进行石块校正。团聚体的湿稳定性（单位：克/千克）使用公式（1）计算。

2.3.3 粘土分散性（CD）
从小于8毫米的湿润土壤中取出一个子样本，相当于10克的烘干土壤样本，每个地块测试两个重复样本。样品被称重后转移到塑料管中。从侧面小心地向塑料管中加入约80毫升的人工雨水，然后密封盖子。塑料管在自动振荡器中（转速40转/分钟；旋转直径25厘米）振荡2分钟。2分钟后，移除盖子，让样品静置3小时50分钟，使大于2微米的颗粒沉淀（Gee和Or，2002年）。使用移液管将含有小于2微米颗粒的悬浮液总共60毫升（每次20毫升×3次）吸取到装有磁力搅拌器的100毫升烧杯中。然后，将20毫升（每次10毫升×2次）溶液转移到已知重量的玻璃小瓶中。样品在105℃下烘干直至所有水分蒸发。对烧杯中的沉积物进行石块校正（>2微米）。粘土分散性（单位：克/千克）使用以下公式（公式2）计算。

2.4 数据分析
使用R项目软件包版本4.3.3（R Foundation for Statistical Computing）中的lmer函数的线性混合效应模型（lme4包）测试了轮作方式（R：1/3草地与2/3草地混合）、牛粪输入（N：未施肥（0）和施肥（300千克总氮/公顷）以及混合模式（M：3种作物[3-sp]和12种作物[12-sp]）及其对SOC、WSA和CD的影响（Bates等人，2015年）。在分析中，R、N和M被视为固定效应，而田块和小区被视为随机效应，其中小区嵌套在田块内。

3 结果
表1展示了轮作中草地比例（R）、粪肥输入（N）、草地混合模式（M）及其相互作用对SOC、WSA和CD的方差分析（ANOVA）结果，以及主要效应的平均值。值得注意的是，没有发现固定效应之间的双向或三方交互作用（p<0.05），因此只考虑了主要效应。施肥和增加轮作中的草地比例显著提高了SOC含量，而草地混合模式对耕作层中的SOC含量没有显著影响。表1显示了两种轮作方式（1/3草地与2/3草地混合）、牛粪输入（N：未施肥（0）和施肥[300千克总氮/公顷]以及两种混合模式（M：3种作物和12种作物）对土壤有机碳（SOC）、团聚体湿稳定性（WSA）和粘土分散性（CD）的方差分析结果。
旋转（R）、施肥（N）和混合物（M）及其交互作用对SOC、WSA和CD的影响使用了R项目软件包4.3.3版本的lme4包中的线性混合效应模型和lmer函数进行测试（Bates等人，2015年）。在分析中，R、N和M被视为固定效应，而田块和小区被视为随机效应，其中小区嵌套在田块内。

3 结果
表1展示了轮作中草地比例（R）、粪肥施用量（N）和草地混合物（M）及其相互作用对土壤有机碳（SOC）、团聚体湿稳定性（WSA）和粘土分散性（CD）的方差分析（ANOVA）结果，以及主要效应的平均值。值得注意的是，未发现固定效应之间的双向或三方交互作用（p<0.05），因此仅考虑了主要效应。施肥和增加轮作中的草地比例显著提高了SOC含量，而草地混合物对耕作层中的SOC含量没有显著影响。 таблиц1. 对两种轮作方式（1/3草地与2/3草地混合）、牛粪施用量（N：未施肥（0）和施肥[300 kg 总氮/公顷]以及两种混合物（M：3种作物和12种作物）的土壤有机碳（SOC）、团聚体湿稳定性（WSA）和粘土分散性（CD）的方差分析（ANOVA）类型III。

旋转（R）
<0.001
<0.001
<0.001

施肥（N）
<0.01
<0.001
0.824

混合物（M）
0.219
<0.001
0.284

R × N
0.3864
0.4519
0.2727

R × M
0.8049
0.6979
0.2193

N × M
0.8389
0.5021
0.7696

R × N × M
0.4889
0.7830
0.3239

旋转（g 100 g^-1 土壤）
(%)
(g kg^-1)

1/3
1.67 a
91.47 a
3.19 a

2/3
1.84 b
93.95 b
2.40 b

N率（kg 总氮/公顷）
(g 100 g^-1 土壤）
(%)
(g kg^-1)

0
1.70 a
91.51 a
2.77 a

300
1.81 b
93.91 b
2.82 a

混合物（g 100 g^-1 土壤）
(%)
(g kg^-1)

3种作物
1.78 a
91.55 a
2.74 a

12种作物
1.73 a
93.38 b
2.85 a

注意：列中的字母表示统计显著性p<0.05，相同的字母表示没有显著差异。所有三个因素都显著影响了WSA。随着轮作中草地比例的增加（2/3 vs 1/3草地混合）、牛粪施用量的增加（施肥 vs 未施肥）以及草地多样性的增加（12种 vs 3种），WSA也增加了。在整个轮作过程中，草地阶段的WSA通常高于耕地阶段（见图2a,b），并且在使用2/3草地混合物的第四年的草地中，WSA从建立年份到第四年有所增加（见图2b）。图3显示了两种草地混合物和施肥处理在每种作物中的WSA变化情况。在第四年草地中，与3种作物混合物相比，12种作物混合物的WSA增加幅度最大（6.4%±4.5%），尽管标准差较大（见图3a,b）。对于两种轮作中的每种作物，施肥地块与未施肥地块的WSA增加趋势并不一致（见图3c,d）。

图2显示了使用1/3草地混合物（a, c）和2/3草地混合物（b, d）的作物轮作中的团聚体湿稳定性和粘土分散性。耕地阶段用黄色条形表示，草地阶段用绿色条形表示。图中显示了标准差（n=8）。图中的p值表示作物效应的总体显著性水平，而不同的字母表示p<0.05时的作物间显著差异（成对比较）。

图3显示了使用1/3草地混合物（a）和2/3草地混合物（b）的作物轮作中3种作物混合物和12种作物混合物的团聚体湿稳定性（WSA）和粘土分散性（CD）的平均值（基于N率）。标准差也显示在图中（n=4）。只有轮作中的草地比例对CD有显著影响，草地比例的增加导致CD降低（见表1）。在1/3草地混合物的轮作中，大麦/豌豆与油籽萝卜作为覆盖作物的组合观察到最高的CD（3.9±0.5 g kg^-1）（见图2c）。在2/3草地混合物的轮作中，第三年（1.8±0.2 g kg^-1）和第四年（2.2±0.3 g kg^-1）草地的CD水平最低（见图2d）。图4展示了在两种轮作中，随着最后一次耕作时间的相似性，两种混合物和施肥对大麦与草地混合物的SOC、WSA和CD之间的相关性。虽然不同年份的耕作次数相似，但耕作的影响被抵消了，因此可以清晰地研究SOC的影响。WSA与SOC之间的相关性较弱，SOC只能解释WSA变化的7%到10%（见图4a–c）。相比之下，在建立年份（R2=0.79）、第一年草地（R2=0.83）和第二年草地（R2=0.83）中观察到CD随SOC增加而线性下降（见图4d–f）。图5仅显示了在2/3草地混合物的轮作中，大麦与草地混合物下播种时，第一年和第二年草地之间的SOC与CD的相关性。在建立年份和第一年草地中，观察到CD随SOC增加而线性下降；然而，在第三年和第四年草地中这种模式并未出现。值得注意的是，在第三年和第四年草地中，线性回归的斜率接近零，而在其他年份草地中斜率介于-1.78到-2.32之间（见图5）。

图4和图5分别展示了使用1/3草地混合物（a, c）和2/3草地混合物（b, d）的作物轮作中，大麦与草地混合物下播种时团聚体湿稳定性和粘土分散性作为土壤有机碳函数的值。图中也标出了线性回归模型。

4 讨论
4.1 更长的草地持续时间增加了SOC和土壤结构稳定性
本实验中两种轮作方式的主要区别在于草地阶段的持续时间，这也关系到上次耕作以来的时间、耕作次数以及后续耕作作物的顺序。在6年的轮作周期内，土壤经历了连续草地和每年耕作的耕地阶段之间的反复转换，这种模式预计会对土壤结构和有机质动态产生强烈影响（Jensen等人，2020年）。

4.1.1 轮作对SOC的影响
本实验的结果表明，轮作中草地 proportion 对耕作层中的SOC有显著影响，这一结果与其他研究一致（Guillaume等人，2022年；Jensen等人，2022年）。在6年的轮作周期内，2/3草地混合物的轮作需要进行两次耕作，而1/3草地混合物的轮作需要进行四次耕作。这种耕作频率的差异反映了两种轮作方式下土壤扰动的不同程度。研究表明，将草地转换为耕地会显著降低SOC（Attard等人，2016年；Jensen等人，2020年），在转换6年后SOC可减少多达14%（Jensen等人，2020年）。年度耕作和土壤中有机碳输入的减少被认为是导致SOC降低的主要因素。因此，与1/3草地混合物轮作相比，2/3草地混合物轮作中额外的2年不耕作可能在SOC增加中起到了关键作用。这是因为减少耕作促进了微生物的数量和活性以及土壤生物多样性的增加（van Eekeren等人，2025年），同时当前和之前生长季节地下生物量的逐步积累（Acharya等人，2012年；Stumpf等人，2018年）进一步促进了SOC的增加。两种轮作方式的另一个关键区别是在1/3草地混合物的轮作中增加了两种额外的耕地作物和覆盖作物：第五年和第六年种植燕麦与黑麦草以及大麦/豌豆与油籽萝卜（见图1b）。尽管覆盖作物被认为具有提高SOC的潜力（Poeplau和Don，2015年），但这种潜力通常是相对于无覆盖作物的系统进行评估的，而不是与基于草地的轮作方式相比（Maris等人，2021年）。因此，在含有1/3草地和额外覆盖作物的轮作系统中，土壤有机碳（SOC）的积累量可能比在含有2/3草地混合物的轮作系统中要低。

4.1.2 轮作对土壤结构稳定性的影响
含有2/3草地混合物的轮作系统显示出更高的土壤水稳性（WSA）值和更低的土壤凝聚度（CD）值，表明其土壤结构稳定性更高。根据Pulido Moncada等人的研究（2015年），本研究中两种轮作系统所有测得的WSA值都可以归类为非常稳定的聚集体（>70%）。相比之下，一个类似纹理的长期保护农业实验中，主要种植一年生谷物的地块，免耕处理的WSA值为69.3%，而翻耕处理的WSA值为50.0%（Rocco等人，2024年）。WSA的提高通常归因于土壤中较高的SOC含量，因为两者之间存在正相关关系（Chebet等人，2023年）。然而，本研究中观察到的WSA增加不太可能单纯由SOC的变化解释，因为SOC与WSA之间没有显著相关性（图4）。含有1/3草地混合物的轮作系统中WSA值相对较低（低2.5%），这可能是因为相对更多的耕作活动导致土壤聚集体受到破坏（Rocco等人，2024年）。在含有2/3草地混合物的轮作系统中，随着草地年龄的增长，即从建立到第四年，WSA趋于增加（图2）。同样，CD在第三年和第四年的草地中最低。这表明，年龄较大的草地具有更好的土壤结构稳定性，这可能解释了在含有较多草地成分的轮作系统中观察到的整体稳定性提升。总体而言，本研究中CD值和SOC含量在不同轮作之间表现出负相关关系，这与之前的研究结果一致（Jensen等人，2019年；Qi等人，2022年）。然而，SOC与CD之间的负相关性随时间减弱，这意味着年龄较大的草地中的CD值并不完全取决于SOC。先前的研究（Jensen等人，2020年；Poulton等人，2018年）也指出CD的变化，尽管SOC没有变化。Rocco等人（2024年）报告指出，翻耕土壤的粘粒分散性（3.69克/千克）高于免耕土壤（2.81克/千克），并认为免耕可以减少土壤碳对稳定性的影响，当管理方式从耕作转变为草地或从翻耕转变为免耕时。因此，耕作导致的稳定性差异可能是年龄较大的草地中CD与SOC线性回归斜率发生变化的原因（图5）。此外，我们可以假设在宏观尺度上（>250微米：WSA），土壤结构稳定性主要受耕作方式和根系的影响，而在微观尺度上（<250微米：CD；粘粒从土壤聚集体中的分离），稳定性可能更多地与有机矿物相互作用和聚集体粘合剂有关。

4.2 粪肥增加了SOC和WSA，但没有影响粘粒分散性
根据我们的研究结果，施用牛粪可以增加SOC含量，这与先前研究观察到的添加粪肥后SOC增加的现象一致（Fornara等人，2020年；Jensen等人，2022年；Sangotayo等人，2023年）。Fornara等人（2020年）的先前研究还指出，在L. perenne草地中，添加粪肥两年后，0-15厘米土层的SOC储量比未施肥土壤有所增加。在我们的研究中，草地比例、粪肥施用量或草地混合物对SOC没有显著的交互作用。因此，我们可以假设施用粪肥后犁层SOC的增加直接与施用的粪肥碳有关。粪肥施用显著提高了WSA，在我们的研究中也有类似的结果，Lin等人（2019年）也报告称粪肥施用了后土壤聚集体增加。粪肥可以通过支持有机矿物复合物的形成以及增强土壤生物的丰度和活性来改善土壤聚集体（Lin等人，2019年；Sangotayo等人，2023年；Totsche等人，2018年）。粪肥可以通过多糖等分泌物固化土壤矿物颗粒，并且通过增加土壤微生物的丰度和活性来提高土壤聚体的稳定性（Lin等人，2019年；Nivelle等人，2016年；Totsche等人，2018年）。尽管粪肥施用增加了WSA，但它并没有显著影响犁层中的CD。CD测试比本研究中使用的WSA测试更具破坏性，这可能是我们无法捕捉到粪肥施用对CD影响的原因。此外，我们的研究结果表明，肥料施用对后续作物产生了长期影响，因为之前施肥的土壤比未施肥的土壤具有显著更高的WSA。

4.3 草地混合物的影响
我们的结果表明，草地混合物中的物种组成显著影响WSA。因此，包含更多物种和功能组多样性的12种草地混合物增强了犁层中的WSA。然而，两种草地混合物下的SOC含量或CD没有显示出显著差异。

4.3.1 草地混合物没有改变SOC
在我们的研究中，包含草、豆科植物和杂草的更多样化混合物对SOC没有显著影响，这一结果与Cooledge等人（2024年）的报告一致，他们报告称草-三叶草草地（L. perenne, Phleum pratense, T. pratense, T. repens；25.7 ± 1.1吨碳/公顷）和含有草、豆科植物（如T. pratense, T. repens, M. sativa, O. viciifolia, L. corniculatus）及杂草物种（如C. intybus L., P. lanceolata, A. millefolium；26.1 ± 1.1吨碳/公顷）的草皮之间的SOC储量没有差异。然而，这些结果与Mellado-Vázquez等人（2016年）和Lange等人（2015年）的报告相矛盾，他们指出随着植物多样性增加，表土中的SOC也会增加。在草地建立两年后的一个羊放牧田地研究中（McNally等人，2015年），包含草（如L. perenne）、豆科植物（如T. repens L., M. sativa）和杂草（如C. intybus L., P. lanceolata）的草地混合物具有更高的根系生物量输入（5.3-9.4兆克/公顷），而仅包含L. perenne和T. repens的草地-豆科植物混合物则较低（3.8-5.7兆克/公顷），预测在更多样化的混合物中表土层（0-30厘米深度）的碳输入会增加（大约1.2兆克碳/公顷）。由于我们实验田地中的大部分地上生物量被用作牲畜饲料，地下成分，特别是根系沉积物和根系，在我们的研究中可能是SOC输入的重要途径。草地混合物中物种组成和功能组多样性的改变可以增强根系生物量（McNally等人，2015年），并改变根系沉积模式，特别是根系分泌物中释放的化合物的浓度和多样性，如次级代谢物、糖类和氨基酸（Badri和Vivanco 2009年；Steinauer等人，2016年），从而增加SOC的积累。我们实验中的物种组成随时间发生变化，在两种混合物中，草类（3种组合：21%-65%；12种组合：4.8%-49%；平均经过施肥和草地年龄处理）和豆科植物（3种组合：7%-58%；12种组合：25%-66%；平均经过施肥和草地年龄处理）始终占主导地位。相比之下，杂草在12种组合中的比例相对较低，介于5%到39%之间（Perera等人，2025年）。我们研究中3种组合（1.78克/100克）和12种组合（1.73克/100克）的犁层中SOC含量相似，可能是由于两种混合物中都含有大量的草和豆科植物，这与Cooledge等人（2024年）的发现一致。此外，我们多样化的混合物中根系特征的多样性，包括深根（如紫花苜蓿和菊苣）和纤维根系（如车前草和蓍草），可能增强了SOC的垂直分布，导致两种混合物在更深层次上的SOC含量有所不同，而不仅仅是表土。

4.3.2 更多样化的混合物在草地阶段增强了WSA，并在后续作物阶段表现出积极的长期效应
尽管更多样化的混合物没有导致SOC含量的增加，但WSA显著提高。与我们的结果类似，Pérès等人（2013年）报告称植物多样性的增加提高了聚集体稳定性，其中植物物种丰富度和功能组多样性的变化不仅通过增加SOC来影响聚集体稳定性，还通过改变根系和微生物生物量来影响。根系分泌物，如多糖（Elmholt等人，2008年），通过粘合土壤颗粒来促进土壤聚集体，形成微聚集体，而根系本身则通过物理连接和交织微聚集体来形成宏观聚集体（Elmholt等人，2008年；Pohl等人，2012年）。当前实验田地的土壤中含有较高比例的沙子，先前的研究（Degens 1997年；Thomopoulos等人，2025年）指出了丛枝菌根真菌网络在含沙土壤聚集中的重要性。物种丰富度和功能组多样性增加了菌根真菌的丰度（Chung等人，2007年），有助于提高聚集体稳定性，因为真菌菌丝网络物理上交织了聚集体并分泌稳定聚体的分泌物，如GLomalin相关蛋白质（Rillig和Mummey 2006年）。12种混合物即使在耕作后也保持了比3种组合更高的WSA，表明更多样化的混合物可以增强对机械破坏的抵抗力，并为后续作物保持土壤结构。这种稳定性的提高可能是由于更强的真菌菌丝网络、更高的微生物活性以及与更多物种和功能组丰富度相关的更多样化的根系分泌物，这对草地和后续作物都有益。此外，据报道，12种混合物中的某些物种，如M. sativa，也对土壤聚集体有积极影响（Guidi等人，2017年）。

5 结论
本研究显示，轮作中草地比例、施肥和草地混合物的变化影响了犁层中的SOC水平和土壤结构稳定性。我们的结果表明，增加草地比例和施用有机粪肥显著增加了SOC和聚集体稳定性。有趣的是，只有草地比例影响了粘粒分散性。更多样化的草、豆科植物和杂草混合物在不改变SOC的情况下提高了聚集体稳定性，这可能是因为它包含了多种根系类型，并可能促进土壤真菌和微生物的活动。此外，这些多样化的混合物即使在耕作后也对后续作物的WSA产生了长期影响，表明这种混合物是改善轮作中土壤物理健康状况的有希望策略。我们的结果表明，年龄较大的草地（3年和4年生）具有较低的粘粒分散性，尽管SOC存在显著差异，这表明管理措施，特别是耕作，在调节SOC与粘粒分散性之间的关系中起着重要作用。WSA似乎比SOC反应更快，可能是评估含有草地轮作中管理措施时更敏感的土壤健康指标。本研究关注的是表土样本；然而，SOC和结构稳定性的差异也可能存在于更深的土壤层中。未来的研究，包括更深的土壤采样，将有助于更全面地评估本研究中调查的草地管理措施。此外，结合根系生物量、真菌和微生物丰度及微生物活性的测量与SOC和结构稳定性评估，将有助于深入理解驱动观察到的效应的机制。

我们衷心感谢Stig T. Rasmussen以及土壤肥力部门和Foulumgaard实验站的工作人员在整个研究过程中的技术支持。本研究得到了“GrassRotate”项目（项目编号34009-22-2041）和“SoilHeal”项目（项目编号34009-24-2281）的支持，这两个项目分别属于有机RDD 8和10计划，由国际有机食品系统研究中心（ICROFS）协调，并获得了丹麦食品、农业和渔业部绿色增长和发展计划（GUDP）的资助。

作者声明没有利益冲突。

支持本研究结果的数据可在合理请求下从相应作者处获取。