半干旱灌溉系统中豆科伴生覆盖作物对小麦产量和氮素利用效率的影响评估

《European Journal of Agronomy》：To what extent replacing N fertilization by a companion service cover crop maintains crop productivity and N use efficiency?

本研究针对半干旱灌溉系统中有机替代氮源的农艺效益不明确问题，通过三年田间试验比较了矿物肥、猪粪浆和豆科伴生覆盖作物(CCC)等策略对小麦-油菜轮作体系的影响。结果表明，CCC处理导致小麦减产并降低水分利用效率(WUE)，而猪粪浆(FS)在等氮量下可完全替代矿物肥(FM)且维持产量和氮素利用效率(NUE)，同时提升表层土壤有机碳(SOC)。研究强调在类似生态系统中推广CCC需谨慎评估其竞争效应。

　　

在追求农业可持续发展的全球背景下，如何减少化学氮肥依赖同时保障粮食产量已成为核心挑战。矿物氮肥的过度使用不仅导致温室气体排放和地下水污染，还会破坏土壤健康。有机肥和生态服务作物被寄予厚望，但在半干旱灌溉农业区，这些替代方案的实际效果缺乏系统验证。西班牙莱里达大学的研究团队在《European Journal of Agronomy》发表论文，通过三年田间试验揭示了豆科伴生覆盖作物与有机肥在 Mediterranean 灌溉系统中的真实表现。

研究团队在西班牙阿尔费斯建立小麦-小麦-油菜轮作试验，设置五种处理：不施氮肥对照(0?N)、全量化肥(FM)、粪浆基常规处理(BAU)、全粪浆(FS)以及豆科伴生覆盖作物(CCC)。通过监测作物产量、氮素吸收、土壤硝态氮动态及土壤有机碳变化等指标，系统评估不同策略的农效与环境影响。

关键技术方法包括：1）采用随机区组设计进行田间试验；2）利用元素分析仪测定植株全氮含量；3）应用δ¹⁵N自然丰度法量化生物固氮量(Ndfa)；4）通过离子色谱法分析土壤硝态氮；5）采用 Walkley-Black 法测定土壤有机碳(SOC)并计算碳储量。

3.1. 气候条件

试验期间（2021-2023年）气候总体温暖干燥。2023年降水量降至224毫米，成为异常干旱年份。春季2023年尤为干旱，降水量仅36毫米，对作物生长构成严峻挑战。

3.2. 谷物产量和产量构成因素

施肥处理在两个小麦季节均获得显著高于不施肥处理的产量（p?-1）。2022年CCC处理的穗粒数显著低于施肥处理，表明伴生作物在早期生长阶段存在竞争效应。

3.3. 覆盖作物生物量生产

CCC处理中箭筈豌豆生物量年际变异巨大：2021年达6227?kg?ha^-1，2022年骤降至609?kg?ha^-1。2023年苜蓿建植失败，生物量可忽略不计。生物固氮量(Ndfa)比例从2021年的32%升至2022年的96%，反映伴生作物对土壤氮依赖度的变化。

3.4. 水分和氮效率参数

施肥处理的WUE（16.9和13.1?kg?grain?ha^-1?mm^-1）显著高于不施肥处理（10.4和5.7?kg?grain?ha^-1?mm^-1）。CCC的WUE在所有处理中最低，2022年仅4.6?kg?grain?ha^-1?mm^-1。氮素利用效率(NUE)在施肥处理间无显著差异，FS与FM表现相当。CCC处理的氮盈余与0?N相近，表明固定氮未能有效转化为作物吸收。

3.5. 土壤硝态氮含量

0-60厘米土层硝态氮含量普遍呈净下降趋势。2023年BAU处理下降最显著（-176?kg?N?ha^-1），主要发生在30-60厘米深层。各处理间硝态氮变化无统计学差异。

3.6. SOC浓度和储量

FS处理在0-5厘米表层SOC储量增加4.3?t?ha^-1，成为唯一实现全剖面碳增益的处理（+2.9?t?ha^-1）。BAU和CCC的表层碳增益被深层碳损失抵消。矿物肥处理(FM和0?N)则出现全剖面碳损失，尤其5-10厘米层损失达1.1-2.4?t?ha^-1。

研究结论表明，在 Mediterranean 半干旱灌溉系统中，豆科伴生覆盖作物不仅未能发挥预期增产作用，反而因资源竞争导致小麦减产，且降低水分利用效率。相反，猪粪浆在等氮量条件下可完全替代矿物肥料，维持作物产量和氮素利用效率，同时促进表层土壤有机碳积累。这一发现对制定区域特异性可持续农业政策具有重要指导意义：在冬季作物为主的灌溉系统中，伴生作物技术需谨慎评估，而 livestock manure 的循环利用则展现出更可靠的实践价值。

研究强调了农业管理策略的环境适应性。在气候变化导致干旱频发的背景下，研究者建议在类似生态区优先推广粪浆资源化利用，而非盲目引入伴生作物体系。该成果为半干旱区氮肥优化管理提供了实证依据，对实现欧盟绿色协议(Farm to Fork Strategy)的减肥目标具有参考价值。