多样化轮作通过提升土壤固碳和生物健康促进油用亚麻生产力

《Industrial Crops and Products》：Diversifying crop rotation improves productivity of oilseed flax by increasing soil carbon sequestration and soil biological health

本研究针对雨养农业区油用亚麻（oilseed flax）单作生产力低、土壤健康退化等问题，通过8年田间试验评估了马铃薯-小麦-亚麻多样化轮作系统的作用。结果表明，小麦→马铃薯→小麦→亚麻（WPWF）轮作使亚麻籽粒产量和可持续产量指数（SYI）分别提高70.2%和63.9%，土壤有机碳（SOC）储量增加10.7%?30.7%，并显著提升土壤酶活性和细菌多样性。该研究为旱区农业系统优化提供了关键理论与实践依据。

　　

在气候变化加剧、粮食安全形势严峻的背景下，雨养农业区面临着前所未有的挑战。中国西北旱作农业区作为重要的油料生产基地，油用亚麻（oilseed flax）生产长期依赖传统单作模式，导致土壤退化、生产力波动大等问题日益突出。如何通过科学的种植制度优化，实现作物生产与土壤健康的协同提升，成为当前农业可持续发展的重要课题。

近期发表于《Industrial Crops and Products》的一项研究，通过为期8年的田间定位试验，系统揭示了多样化轮作系统对油用亚麻生产力及土壤健康的促进作用。研究团队在甘肃定西典型雨养农业区设置了包括小麦（Triticum aestivum L.）、马铃薯（Solanum tuberosum L.）和油用亚麻（Linum usitatissimum L.）在内的5种轮作系统，以连续亚麻单作（Cont F）为对照，从作物生产力、土壤碳固存、微生物多样性等多维度评估了轮作效应。

主要技术方法

研究采用随机区组设计，每个处理3次重复，监测周期覆盖两个完整的4年轮作周期（2013-2020）。关键方法包括：土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、蔗糖酶）分别采用硝基酚比色法和3,5-二硝基水杨酸法；土壤微生物DNA提取使用FastDNA Spin Kit，通过高通量测序分析细菌群落结构；产量稳定性通过变异系数（CV）和可持续产量指数（SYI）评估；采用熵权TOPSIS法构建综合评价指数（CEI）。

3.1 多样化轮作对油用亚麻生产力、产量可持续性和稳定性的影响

3.1.1 多样化轮作下油用亚麻的生产力和产量稳定性

轮作系统显著提高了油用亚麻的籽粒产量、蛋白质产量和地上部生物量。与Cont F相比，2016年（第一轮作周期结束）轮作系统使上述指标分别增加58.1%?96.8%、41.3%?109.0%和57.1%?96.9%；2020年（第二轮作周期结束）增幅分别为57.8%?79.0%、17.7%?64.8%和15.7%?78.7%。其中WPWF处理在两个轮作周期内平均籽粒产量和SYI增幅最大（70.1%和63.9%），且变异系数（CV）最低，表明其具有最佳的生产稳定性和可持续性。

3.1.2 前茬作物替换和降低亚麻种植频率提升亚麻生产力及可持续性

前茬作物类型和亚麻种植频率显著影响轮作效果。小麦茬和马铃薯茬的亚麻生产力均显著优于亚麻茬。25%亚麻种植频率处理的平均籽粒产量和SYI最高，分别较100%单作提高1512.4 kg ha^-1和0.2个单位，表明降低同种作物种植频率可通过优化资源分配提升系统韧性。

3.2 多样化轮作下的土壤碳固存

3.2.1 多样化轮作下SOC含量和储量的变化

轮作系统显著提高0-150 cm土层SOC储量，其中WPWF处理在2016年和2020年分别达到139.1 t ha^-1和142.5 t ha^-1。休耕（Fallow）处理碳固存速率最高（13.6 t ha^-1 yr^-1），但轮作系统在农业生产中更具实践价值。

3.2.2 前茬作物和亚麻种植频率对土壤有机碳储量的影响

小麦茬和25%亚麻种植频率处理的SOC储量和碳固存速率显著优于其他处理。相同种植频率下，轮作序列对碳固存影响不显著，而种植频率和前茬作物类型是主要驱动因素。

3.3 多样化轮作提升土壤酶活性和微生物多样性

WPWF处理在0-30 cm土层的β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和蔗糖酶活性最高，土壤酶活性指数（SEI）较Cont F提高1倍以上。经过8年轮作，轮作系统显著提升细菌Chao1指数（60.9%?82.4%）和OTU丰富度（94.7%?158.9%），而Cont F呈现下降趋势。微生物多样性提升与作物残体输入增加和病原菌抑制密切相关。

3.4 多样化轮作系统的综合评价

熵权TOPSIS分析显示，WPWF处理的CEI值最高（0.9），WFPF次之（0.7）。相关性分析表明，土壤碳固存、酶活性和微生物多样性与亚麻产量呈显著正相关，SYI与酶活性显著正相关，说明土壤生物健康是系统可持续性的关键。

3.5 经济效益分析

WFPF处理在8年内的总产值和净收入最高，分别较Cont F增加200.4%和899.1%。WPWF与FWPF处理经济效益相当，但WPWF在生态效益方面更具优势。

研究结论与讨论

本研究通过长期定位试验证实，多样化轮作系统通过"土壤碳固存-微生物多样性-酶活性"的协同增效机制，显著提升油用亚麻生产力及系统韧性。WPWF和WFPF系统被确定为黄土高原区最优轮作模式，其成功实践为雨养农业区应对气候变化、实现可持续发展提供了重要范式。研究强调，在轮作系统设计中，作物功能丰富度而非单纯物种数量，是提升系统缓冲能力的关键。未来研究需进一步量化轮作组分间生物量分配和碳输入动态，以深化对机制的理解。

这项研究不仅为旱作农业系统优化提供了实证依据，也为全球气候变化背景下农业可持续发展策略的制定提供了重要参考。