作物轮作协同提升产量、营养与收益的全球荟萃分析揭示可持续集约化新路径

《Nature Communications》：Crop rotations synergize yield, nutrition, and revenue: a meta-analysis

本刊推荐：为解决单一种植模式导致的粮食安全与营养失衡问题，研究人员通过全球3663组田间试验数据开展作物轮作系统荟萃分析，结果表明轮作可使后续作物增产20%（豆科前茬达23%），系统总产量、膳食能量、蛋白质及微量元素（Fe、Mg、Zn）提升14-27%，同时降低年际产量变异系数（CV轮作 < CV单作）。该研究为协同实现SDG2（零饥饿）和SDG12（可持续消费）目标提供了跨尺度解决方案。

　　

在全球人口持续增长与饮食结构升级的双重压力下，如何通过农业系统转型同时实现粮食安全、营养均衡与农民增收，已成为联合国可持续发展目标（SDGs）的核心挑战。尽管作物多样化被广泛认为是可持续集约化的关键路径，但长期以来，从单一种植向轮作系统转型可能引发的产量-营养-收益三重权衡关系缺乏系统量化。尤其值得注意的是，全球近50%耕地具备发展多样化种植的潜力，如何在区域尺度设计最优作物序列以突破生产瓶颈，仍是农业生态学领域的重大科学难题。

发表于《Nature Communications》的最新研究通过整合全球738项试验的3663组田间观测数据（1980-2024），首次从系统层面解析了作物轮作对产量表现、营养输出与经济收益的协同效应。研究发现，轮作系统不仅显著提升后续作物产量（平均增幅20%），更在系统总产出维度实现全面增益：相较于单一种植，轮作使总产量提升23%，膳食能量与蛋白质分别增加24%和14%，铁（Fe）、镁（Mg）、锌（Zn）等微量元素增幅达17-27%，同时系统总收入提高20%。尤为重要的是，研究通过机会成本核算揭示，约33-54%的作物序列呈现"共赢"关系，显著优于存在权衡效应的轮作模式。

在技术方法层面，研究团队采用多层级混合效应模型（mixed-effect model）整合全球田间试验数据，通过自然对数响应比（lnR）量化轮作效应，并引入年际变异系数（CV）分析产量稳定性。针对营养与收益评估，创新性地将作物产量与USDA营养素数据库、FAOSTAT生产者价格数据进行耦合计算，首次实现从生物量产出到营养当量与经济价值的跨尺度转换。

轮作对六大洲作物产量的增益格局

研究通过地理空间分析发现，大洋洲轮作增产效应最为显著（27%），亚洲与欧洲次之。豆科前茬作物（如蚕豆、苜蓿）平均增产效果（23%）显著优于非豆科前茬（16%），其中非洲地区豆科前茬对玉米的增产效应高达83%。

作物功能群与序列组合的差异化效应

跨功能群分析表明，豆科-禾本科轮作（如蚕豆-小麦）可使谷物增产20%，显著高于反向序列（10%）。混合种植前茬（如禾本科-豆科混播）通过生态位互补效应使后续作物增产26%，而块茎类前茬（如马铃薯）对后续谷物的增产效应为15%。长期定位试验（9-50年）证实轮作系统年际产量稳定性（lnCV=0.21）显著优于单作。

系统层面的营养-收益协同提升

通过全序列（前茬+主茬）评估发现，玉米-大豆轮作使膳食能量、微量元素与收益同步提升40%以上，而高粱-大豆轮作则呈现"超显性增益"（transgressive overyielding）。相反，从玉米单作转向大豆-玉米轮作会导致系统总收益下降27%，提示轮作设计需规避"超显性减益"（transgressive underyielding）风险。

区域特异性轮作方案设计

针对全球主要农区提出差异化方案：在南美洲大豆主产区，玉米-大豆轮作可逆转单作导致的营养赤字；非洲资源受限区推行豆科轮作可实现产量增益80%以上；而北美小麦带采用高粱-玉米轮作可协同提升产量稳定性与收益。

该研究通过多维度证据链阐明，作物轮作可通过生物固氮替代41-46%的化学氮肥投入，同时增强系统气候韧性。研究建议将轮作设计纳入国家农业政策体系，通过跨尺度优化实现"藏粮于技"向"藏粮于生态"的战略转型。这一成果为构建产量-营养-环境三位一体的农业可持续发展范式提供了定量化决策依据，对推动全球粮食系统转型具有里程碑意义。