豆科作物轮作对土壤健康与农业可持续性的长期促进效应：印度亚热带地区的实证研究

《Frontiers in Agronomy》：Legume-based crop rotation sustain the soil biodiversity, fertility levels, productivity, and profitability: evidence from a long-term study under Indian subtropical conditions

本综述基于印度亚热带地区6年田间试验，系统阐明了豆科作物轮作（如玉米-豌豆-春花生体系）在改善土壤物理（容重、持水量）、化学（有机碳、氮磷钾及微量元素）和生物特性（微生物种群、酶活性、微生物生物量碳/氮）方面的显著优势。研究通过主成分分析（PCA）证实豆科体系是土壤健康提升的关键驱动力，其水稻当量产量（REY）提高68.97%，并显著增加净收益（?233,193/ha）和效益成本比（1.47），为印度恒河平原替代传统稻-麦体系提供了生态与经济双赢的可持续方案。

　　

引言

传统集约化农业实践因土壤侵蚀、农化污染及生物多样性丧失等问题威胁农业生态系统可持续性，推动有机农业、功能农业生物多样性及作物多样化等环境友好型措施发展。作物多样化通过可持续种植系统增强农业生态系统稳定性，改善土壤健康并提升对气候和生物胁迫的抵抗力，其中豆科作物通过固氮作用、根系分泌物和残留物输入显著改善土壤结构、肥力和微生物活性。印度恒河平原（IGP）长期稻-麦种植制度导致地下水耗竭、土壤退化及产量停滞，亟需通过豆科作物轮作实现系统多样化。

材料与方法

研究在印度旁遮普邦卢迪亚纳的旁遮普农业大学（PAU）进行（2017–2018至2022–2023），采用随机区组设计比较10种种植系统（CS），包括稻-麦（CS1）、玉米-小麦（CS2）及豆科集成系统（如CS3：巴斯马蒂稻-晚播小麦-豇豆；CS6：玉米-豌豆-春花生）。土壤样品（0–15 cm深度）分析物理（容重、持水量）、化学（有机碳、氮磷钾、微量元素）和生物指标（微生物种群CFU、酶活性、微生物生物量碳/氮）。经济评价包括水稻当量产量（REY）、净收益和效益成本比（BC ratio），数据通过DMRT和PCA进行统计分析。

结果

土壤性质：豆科系统（CS6、CS5、CS4等）显著降低容重（1.32–1.38 g/cm³），提高持水量（41.18%–42.87%）和有机碳（0.48%–0.52%）。有效氮（250.88 kg/ha）、磷（27.87 kg/ha）、钾（194.12 kg/ha）及锌、铁、铜、锰等微量元素在CS6中最高。生物指标方面，CS6的微生物数量（细菌132.56×10⁶ CFU/g、真菌25.34×10³ CFU/g）、酶活性（脱氢酶62.22 μg TPF/g/h、碱性磷酸酶10.78 μg PNP/g/h）和微生物生物量碳（255.21 mg/kg）、氮（20.01 mg/kg）显著优于稻-麦系统。相关性分析显示土壤指标间呈显著正相关，PCA表明豆科系统（CS6、CS5等）是土壤健康变异主要贡献者（PC1解释94.43%方差）。

生产力与经济效益：CS6的REY（199.88 q/ha）较稻-麦系统（118.29 q/ha）提高68.97%，净收益（?233,193/ha）、BC比（1.47）和经济效率（?639/ha/天）最高。

讨论

豆科作物通过深层根系、凋落物输入和低C/N残留物改善土壤结构，促进养分循环和微生物活性。固氮作用和根系分泌物提升氮磷钾有效性，而碳输入刺激微生物种群和酶活性，形成正向反馈机制。豆科系统的高产和盈利性源于资源优化利用及市场多元化，支持农业可持续发展。

结论

在IGP地区，豆科作物轮作（如玉米-豌豆-春花生）是替代稻-麦系统的可行方案，可同步提升土壤健康、生产力和经济回报，为类似生态区推广提供实践依据。