最小耕作与养分协同管理提升稻-扁豆轮作系统生产力及土壤健康的机制研究

本研究针对长期传统耕作与化肥滥用导致的土壤退化及作物产量停滞问题，通过两年田间试验探讨了最小耕作与集成养分管理对稻-扁豆轮作系统作物表现、养分吸收、经济效益及土壤微生物多样性的协同效应。结果表明：最小耕作配合75%氮肥+农家肥+固氮菌+硫酸锌处理在第二年实现水稻产量5.65吨/公顷、扁豆产量9.81公担/公顷， Shannon多样性指数达0.071，为东印度小农户提供了兼顾产量稳定性与生态可持续性的有效实践方案。

　　

在绿色革命推行半个多世纪后，高量化肥投入与机械化耕作虽短期内提升了粮食产量，却埋下了土壤结构破坏、有机质流失及微生物系统失衡的长期隐患。特别是在以水稻为基础的种植系统中，传统耙耕（Puddling）操作导致土壤板结、透水性下降，加之化学肥料的过度使用，已造成约47%的水稻种植区出现产量停滞。面对205年全球97亿人口的粮食需求压力，寻找既能维持生产力又可保护土壤健康的可持续农业模式迫在眉睫。

本研究团队在印度西孟加拉邦恒河下游平原开展了连续两年（2018-2020）的田间试验，通过比较最小耕作（Minimum Tillage, MT）与传统耕作（Conventional Tillage, CT）结合不同养分管理策略，系统评估了稻-扁豆轮作系统的综合效益。研究成果发表于《BMC Plant Biology》，为东亚地区小农户提供了兼顾经济效益与生态可持续性的农业实践方案。

研究采用裂区设计，主区设置4种耕作-种植模式：CT直接播种水稻-扁豆（CT-DSR）、MT直接播种水稻-扁豆（MT-DSR）、CT移栽水稻-扁豆（CT-TPR）及MT移栽水稻-扁豆（MT-TPR）；副区设置5种养分处理：不施肥（Control）、100%推荐化肥（100% RDF）、75%氮+农家肥（75% N+FYM）、75%氮+农家肥+固氮菌（75% N+FYM+Azo）及75%氮+农家肥+固氮菌+硫酸锌（75% N+FYM+Azo+Zn）。通过测定作物生长指标、产量构成、养分吸收、经济效益及土壤微生物Shannon多样性指数，综合评价不同处理的长期效应。

关键技术方法包括：1）基于裂区设计的田间试验布局与实施；2）作物生长参数（株高、生物量、作物生长速率）与产量构成要素的系统测定；3）植物样品氮磷钾养分含量分析（凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法）；4）经济效益分析（成本收益比计算）；5）土壤微生物多样性评估（Shannon-Weiner指数计算）；6）统计学分析（ANOVA、Duncan检验、相关性分析与主成分分析）。

生长特性：耕作与养分的时空耦合效应

第一年传统移栽水稻（CT-TPR）表现最佳，株高与干物质积累量分别达95.2 cm和670.3 g/m2，这与耙耕初期改善土壤墒情有关。然而第二年最小耕作直接播种（MT-DSR）实现反超，株高（96.38 cm）和生物量积累显著优于其他处理，表明最小耕作通过保持土壤结构稳定性和有机质含量，逐步发挥增产潜力。扁豆作为后茬作物始终在MT-DSR系统中表现优异，两年间株高增长10.38-34.98 cm，根瘤数（27.35个/株）和根体积（405.3 mm3）显著提升，证实最小耕作残留效应促进豆科作物-根瘤菌共生体系发育。

养分管理策略呈现类似时序规律。首年100%化肥处理（100% RDF）在水稻生长参数领先，但次年集成养分处理（75% N+FYM+Azo+Zn）全面超越，水稻株高提升13.44%，干物质积累增加13.07%。固氮菌（Azospirillum）通过分泌植物激素（细胞分裂素、生长素）促进根系发育，锌元素强化碳水化合物代谢与酶活性，农家肥（FYM）则作为缓释养分库持续供应营养，多因子协同支撑作物后期生长优势。

产量与养分吸收：从短期补偿到长期增益

水稻产量响应与生长规律高度一致。首年CT-TPR以4.84吨/公顷领先，但次年MT-DSR以5.17吨/公顷实现反超，穗数（311.8个/m2）和实粒数（122.4粒/穗）显著改善。扁豆产量在MT-DSR系统中年际持续增长，第二年达8.817公担/公顷，较CT-TPR提升12.1%。集成养分处理（75% N+FYM+Azo+Zn）两年均表现最优，水稻（5.65吨/公顷）和扁豆（9.81公担/公顷）产量双双登顶，证实有机-无机协同配伍的长期增益效应。

养分吸收动态揭示系统可持续性关键。首年CT-TPR水稻氮磷钾吸收量最高（115.2 kg/ha、16.23 kg/ha、97.3 kg/ha），次年MT-DSR反超并实现121.3 kg/ha氮、18.29 kg/ha磷、108.2 kg/ha钾的吸收量。扁豆养分吸收在MT-DSR系统中同步提升，氮吸收第二年达65.3 kg/ha。微生物介导的养分循环强化是关键机制——最小耕作通过维持孔隙网络和团聚体稳定性减少养分淋失，农家肥提供有机-金属复合体减少磷固定，固氮菌则直接提升生物固氮效率。

经济效益与微生物多样性：可持续双赢基石

MT-DSR系统因减少犁耕次数、机械燃油及人工成本，显著降低生产成本。集成养分处理虽初始投入较高，但通过产量提升实现净收益最大化。MT-DSR+75% N+FYM+Azo+Zn组合在两年汇总分析中获得最高净收益（85,845印度卢比/公顷）和效益成本比（1.85），证明技术推广的经济可行性。

土壤微生物Shannon多样性指数为系统健康提供核心判据。MT-DSR+75% N+FYM+Azo处理两年指数达0.0698-0.0719，显著高于传统耕作系统。最小耕作通过减少土壤扰动保护微生物栖息环境，农家肥提供碳源与营养基底，固氮菌引入功能菌群，三者协同促进细菌、真菌与放线菌群落平衡，驱动有机质分解与养分转化循环。

结论与展望

研究证实最小耕作与集成养分管理的协同效应具有时序累积特性：首年传统耕作与全量化肥尚可维持产量，但从第二年起最小耕作配合有机-生物肥组合全面显现优势。这种模式通过三重机制实现可持续增益：① 改善土壤物理结构（孔隙度、渗透性、团聚稳定性）；② 提升养分循环效率（减少淋失、强化微生物转化）；③ 构建良性微生物生态系统（多样性指数提升、功能菌群增殖）。

该方案为东印度小农户提供明确实践路径：采用水稻直接播种结合最小耕作，配合75%氮肥+10吨/公顷农家肥+2公斤/公顷固氮菌+20公斤/公顷硫酸锌的养分管理策略，可在降低生产成本的同时实现作物增产、土壤增肥与生物多样性提升的三重目标。未来需进一步长期定位研究验证该模式在不同土壤-气候区的适应性，并探索微生物群落结构演变与功能基因表达等微观机制。