禾豆带状间作系统提升贫瘠土壤碳固存与作物生产力的机制与效益研究

《Plant and Soil》：Wheat-Berseem intercropping system enhances soil fertility, carbon sequestration and crop productivity under nutrient-deficient conditions

本研究针对传统单作导致的土壤退化与碳损失问题，系统评估了小麦-埃及三叶草带状间作对土壤有机碳组分、微生物活性及作物生产力的影响。结果表明，间作系统显著提升微生物生物量碳（MBC）、颗粒有机碳（POC）等活性碳库含量，土壤有机质增幅达13%，土地当量比（LER）超1.3，证实其可通过优化养分循环实现碳固存与土地高效利用的双赢，为干旱区农业可持续发展提供实践依据。

　　

随着气候变化加剧和粮食需求增长，农业可持续发展成为全球关注焦点。传统单作模式依赖高投入耕作，导致土壤质量退化、生物多样性丧失及温室气体排放增加。在联合国可持续发展目标（SDG 2零饥饿、SDG 13气候行动、SDG 15陆地生物）框架下，亟需创新农业策略协同提升生产力和环境可持续性。禾豆间作系统（如小麦-埃及三叶草组合）因其在碳固存和养分循环方面的潜力备受关注。小麦作为全球主要粮食作物，长期单作易引发土壤养分耗竭；而埃及三叶草作为豆科饲草，具固氮能力和深层根系结构，可改善土壤结构并增强碳汇功能。然而，小麦-埃及三叶草间作对土壤碳库动态的具体影响机制在干旱贫瘠区尚缺乏系统量化研究。

为探究该问题，研究人员在巴基斯坦巴赫瓦尔布尔国立间作研究中心的试验田开展连续两年（2022-2024）的田间试验。研究采用随机区组设计，设置单作小麦、单作埃及三叶草及小麦-埃及三叶草带状间作（1米小麦与1米三叶草交替）三种处理，系统分析土壤有机碳组分、微生物指标、作物生长参数及经济效益。关键技术方法包括：通过湿氧化法测定土壤总有机碳（TOC）和有机质；氯仿熏蒸提取法量化微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）；离心筛分法分离颗粒有机碳（POC）与矿物结合有机碳（MOC）；凯氏定氮法测定全氮及植株氮磷钾含量；并结合主成分分析（PCA）、非度量多维标度（nMDS）等多元统计方法评估处理效应。

土壤有机碳库的响应

间作系统显著提升所有土壤有机碳组分。微生物生物量碳（MBC）在两年间从201.33 mg kg^-1增至206.33 mg kg^-1，高于单作处理（187.67-190.33 mg kg^-1），表明微生物活性增强。颗粒有机碳（POC）作为易分解碳库，在间作下达2.11 g kg^-1（第二年），较单作小麦提高13.4%。矿物结合有机碳（MOC）作为稳定碳库，间作处理两年累计增长2.9%，印证其长期固碳潜力。总有机碳（TOC）在间作系统下从7.05 g kg^-1升至7.18 g kg^-1，证实间作通过协同提升活性与稳定碳库实现碳汇增强。

土壤肥力与微生物动态

间作系统使土壤有机质含量提升13%，细菌种群数量在第二年增长56%（达33.33×10⁶ CFU g^-1）。氮素可利用性同步改善，铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）含量在间作下分别维持于9.21-9.27 mg kg^-1和4.99-5.34 mg kg^-1。主成分分析显示，间作处理在PC1轴正向聚集，与微生物指标和碳氮参数显著相关，而单作小麦分布于负向区间。非度量多维标度（nMDS）进一步明确间作系统独立聚类，凸显豆科作物对土壤生化特性的正向调控。

作物生产力与养分吸收

尽管间作下小麦单产从4105 kg ha^-1降至3007 kg ha^-1，埃及三叶草鲜草产量亦低于单作，但土地当量比（LER）达1.33-1.40，证明单位土地资源利用效率提升。植株氮磷钾吸收显著优化：间作小麦籽粒氮含量提高至2.28%，磷钾在茎秆中积累量增幅超10%。相关性热图显示微生物生物量碳与颗粒有机碳（R>0.8）、全氮呈强正相关，阐明间作通过微生物驱动促进养分循环。

经济效益与系统韧性

成本收益分析表明，间作系统总成本（16.30万卢比/公顷）低于单作小麦（16.84万），净收益达12.95万卢比，收益成本比（R/C）为1.60。豆科固氮减少化肥需求，同时双作物配置降低单产波动风险，为资源受限区农户提供经济稳健型生产模式。

本研究系统论证小麦-埃及三叶草带状间作可通过活化微生物群落、扩增有机碳库及优化养分利用，实现土壤健康与碳固存协同提升。其高于1.3的土地当量比和正向经济收益，为干旱贫瘠区农业绿色转型提供可推广范式。未来需在不同生态区验证该模式的适应性，并探索根际互作机制以优化管理策略。