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为解决土壤退化、粮食安全受威胁等问题，研究人员开展木豆与弯叶画眉草轮作研究。结果表明轮作可优化土壤微生物群落、酶活性和养分循环，提升弯叶画眉草生长与营养品质，对农业可持续发展意义重大。
在全球气候变化的大背景下，粮食安全正面临着严峻的挑战。预计到 2050 年，约 1.3 亿人可能因气候变化陷入贫困，极端天气事件致使数百万人口面临严重的粮食不安全状况。同时，气候变化还加剧了土壤退化，导致土壤肥力下降、微生物群落改变，进一步威胁到农业生产。土壤微生物在养分循环中起着关键作用，它们能产生胞外酶，将养分矿化，维持土壤健康和植物生长。而多样化的种植系统，如作物轮作，被认为是改善土壤健康、提高农业生产力的有效途径。木豆（Cajanus cajan）作为一种未被充分利用的豆科植物，具有恢复土壤肥力的作用，弯叶画眉草（Eragrostis curvula）在南非主要用作牧场，其作为粮食作物也颇具潜力。在此背景下，为了探究木豆与弯叶画眉草轮作的可行性及其对土壤养分循环、植物生长的影响，来自南非夸祖鲁 - 纳塔尔大学（University of KwaZulu Natal）等机构的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《Symbiosis》上。
研究人员采用了多种关键技术方法：首先，在南非豪登省海德堡的三个地点（詹姆斯敦公园、凯代尔和伦斯堡）采集土壤样本，并对其进行理化性质分析。然后，设置木豆单作、弯叶画眉草单作和二者轮作三种处理进行盆栽试验，测定植物生长动力学参数。同时，通过特定的细菌提取和鉴定方法，分析土壤和木豆根瘤中的细菌种类。此外，还运用多种酶活性分析方法，检测土壤胞外酶活性，并对土壤养分和相对酸度进行测定。
研究结果如下：
- 土壤性质和细菌组成：种植前，不同地点的土壤呈现出不同的养分浓度、酸碱度和细菌组成。伦斯堡的土壤 pH 值和部分养分浓度较高，而詹姆斯敦公园的土壤相对贫瘠。种植后，不同处理下土壤的养分浓度和酸碱度变化各异。例如，在詹姆斯敦公园土壤中，木豆单作的锰和氮浓度较高，弯叶画眉草单作和轮作的锌浓度较高；凯代尔土壤中，木豆单作的多种养分浓度显著高于其他处理16。
- 植物生长动力学：木豆在不同地点土壤中的生长参数无显著差异，且主要依赖大气氮（NDFA），比例超过 60%。轮作的弯叶画眉草在各地点的地上、地下和总生物量均显著高于单作，且在多个生长参数上表现更优，对 NDFA 的依赖度也更高，植物氮、磷浓度增加23。
- 细菌鉴定：不同处理和地点的土壤及木豆根瘤中分离出多种细菌。木豆偏好选择假单胞菌属（Pseudomonas）、新鞘氨醇杆菌属（Novosphingobium）等细菌；弯叶画眉草则倾向于选择黄杆菌属（Flavobacterium）、土壤杆菌属（Arthrobacter）等。轮作处理也有其特定的细菌选择模式4。
- 土壤胞外酶活性：木豆单作的土壤中，硝酸还原酶、β - 葡萄糖苷酶、酸性和碱性磷酸酶活性显著高于弯叶画眉草单作和轮作处理，而后两者之间这些酶的活性无显著差异5。
研究结论和讨论部分指出，不同土壤类型、微生物组成和种植处理显著影响土壤养分动态和植物生长。木豆单作增强了土壤氮含量和酶活性，凸显了豆科植物对土壤肥力的积极作用。木豆与弯叶画眉草轮作则提高了弯叶画眉草的生物量和养分浓度。这表明将豆科植物纳入作物轮作体系，能够增强土壤养分有效性、促进微生物多样性，对保障粮食和营养安全具有重要意义，尤其适用于养分贫瘠、酸性的土壤。不过，研究也指出轮作处理对土壤养分的长期影响还需进一步研究，未来可关注其对种子养分组成、土壤有机质动态等方面的作用，以及在不同环境条件下的可持续性，从而优化可持续农业实践。
