六载试验数据证实：多样化轮作让粮食增产38%、减排39%

六载试验数据证实：多样化轮作让粮食增产38%、减排39%

最新研究揭示，通过多样化作物轮作，可以实现粮食增产、减少温室气体排放和改善土壤健康等多重目标。

当前，人类面临的重大挑战是如何在生产更有营养的粮食以缓解全球饥饿问题的同时保护环境。在农业资源有限的高人口密度国家和地区，这个挑战更为突出。绿色革命以来，传统的集约化粮食生产系统通过高强度化肥和农药投入显著提高了粮食产量，但同时也排放了大量温室气体并导致环境退化。过去30年（1986-2016）的中国农作物产量增加了74%，但化学肥料的使用量却增加了300%以上。

近期，中国农业大学杨晓琳团队在Nature Communications发表重要研究成果，揭示了作物轮作对粮食产量、温室气体和土壤健康的主要影响。

全球粮食生产面临着平衡增产需求与环境可持续性的挑战。该研究在华北平原进行了为期六年的田间试验，研究了传统谷物种植（小麦-玉米）与经济作物（甘薯）和豆类（花生和大豆）多样化轮作种植的好处（图1）。多样化的轮作使作物平均产量提高38%，N2O排放量减少39%。此外，将豆科植物纳入轮作作物可刺激土壤微生物活动，使土壤有机碳储量增加8%，并使土壤健康指标提高45%。华北平原大规模采用小麦-玉米轮作后，谷物产量增加32%，农民收入增加20%，同时有利于改善环境。这项研究提供了可持续粮食生产实践的例子，强调了作物多样化种植对农业长期恢复能力和土壤健康的重要性。

图1. 从问题到结果的一体化系统示意图

甘薯、花生和大豆等多种作物轮作对后续冬小麦和夏玉米的生产力产生了积极的影响。平均而言，与非谷类作物轮作相比，冬小麦-夏玉米先于非谷类作物轮作的粮食产量、经济效益和蛋白质产量分别提高了26-32%、39-46%和25-29%（图2）。其中甘薯→冬小麦-夏玉米轮作（SpWM）比传统冬小麦-夏玉米种植的产量提高了38%（图2a）。与冬小麦-夏玉米对照相比，甘薯（SpWM）、花生（PWM）或大豆（SWM）多样化轮作显著提高了年度经济效益即净收入（图2b），例如甘薯→冬小麦-夏玉米轮作增加了60%，花生→冬小麦-夏玉米轮作和大豆→冬小麦-夏玉米轮作增加了13%~22%（P<0.05）。同时不同轮作系统的蛋白质产量也有所不同，黑麦草-高粱轮作（RSWM）和大豆→冬小麦-夏玉米轮作的蛋白质年产量最高，分别为2274和1883 kg/ha，比冬小麦-夏玉米轮作高8-31%（图2c）。相比之下，与冬小麦-夏玉米对照相比，完全以谷物为基础的系统（即春玉米→冬小麦-夏玉米轮作，SmWM）的产量降低了16%，蛋白质产量降低了23%。随着轮作的持续进行，先前的轮作作物显著影响了后续冬小麦-夏玉米作物的粮食产量（图2d）、净收入（图2e）和蛋白质产量（图2f）。

图2. 农业生态系统的生产力

该研究使用综合评价指数概念（CEI）来评估与产量、营养价值、土壤相关指标（健康、碳固存、微生物生物多样性）、温室气体净排放和经济效益相关的不同作物轮作的协同效应和权重（图3a、d）。结果表明，小麦-玉米轮作的CEI值最低，平均为0.19（图3b），甘薯→小麦-夏玉米轮作的CEI值最高，为0.81，其次是花生→小麦-夏玉米轮作，为0.75，大豆→小麦-夏玉米轮作为0.69。轮换系统的关键指标之间存在显著关系（图3c）。土壤健康与作物产量(r=0.79)、经济效益(r=0.85)和营养评分(r=0.90)呈正相关，但与温室气体净排放量呈负相关(r=–0.83)。土壤健康还与土壤碳固存(r=0.79)和土壤生物多样性(r=0.67)呈正相关，对温室气体净排放量(r=–0.83)的权重做出了较大贡献（图3）。

图3. 不同轮作系统的综合评估

该研究的创新之处在于其高度多样化的作物轮作系统，经济作物和豆类取代了单一的谷物种植，同时浅根作物与深根作物轮作。它对生态系统服务和功能产生积极影响，在减少温室气体排放方面具有显著效益，并对植物生物量和蛋白质生产、土壤健康和微生物群落生物多样性产生协同效应。多样化轮作系统减少了生产投入，特别是氮肥和灌溉用水，最大限度地降低了环境成本，同时增加了农民收入。因此，在世界范围内与华北平原环境相似的地区，多样化轮作可以成为可持续粮食生产的有效策略。

本文原文来自Nature Communications