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为量化豆类与玉米轮作的效果，研究人员开展 33 年田间实验，对比玉米单作、与豆类轮作下施氮对玉米产量影响，测定氮肥替代值（NFRV）。结果表明豆类轮作增产显著，NFRV 随施氮量变化。该研究为优化农业生产提供依据。
在加拿大安大略省和魁北克省，玉米是重要的经济作物，种植面积广阔。当地玉米生产多采用玉米 - 豆类或玉米 - 谷物轮作体系。长久以来，人们知道豆类与谷物轮作有诸多益处，比如豆类能固氮，提升土壤氮肥力，减少合成氮肥的使用；还能改善土壤物理性质、中断病虫害循环等，进而提高后续谷物产量。但一直以来，缺乏对豆类 - 谷物轮作在谷物产量提升和矿物氮（N）肥替代值（NFRV）方面的量化研究 。不同豆类对玉米产量的影响差异、施氮量如何改变轮作效果等问题，都亟待解答。在这样的背景下，来自加拿大农业和农业食品部（Agriculture and Agri - Food Canada）的研究人员开展了一项为期 33 年的田间实验，相关成果发表在《Field Crops Research》上。
研究人员选择在加拿大安大略省渥太华的中央实验农场进行实验。实验设置了三种作物轮作模式，分别是玉米与大豆的年度轮作（SM）、玉米与一年生豆科牧草（苜蓿或红三叶草，AM 或 RM）轮作，以及连续玉米单作（MM）。在轮作系统中，每年玉米和豆类作物都同时存在，以此避免轮作带来的混淆效应。实验期间，研究人员记录了 1992 - 2024 年每年 5 月 1 日至 10 月 31 日的生长季降雨量（P）、作物热量单位（CHU）和潜在蒸散量（PE）。同时，在玉米种植年份施加氮肥，并根据玉米产量将年份分为低、中、高氮响应组，采用 NFRV 方法评估轮作效果。
轮作方式和施氮量影响玉米产量
研究发现，在不施加合成氮肥的情况下，与玉米单作相比，大豆或一年生豆科牧草的轮作效应显著。在低、中、高产量 - 氮响应条件下，大豆轮作使玉米籽粒产量分别增加 1880 (± 630)、2280 ( ± 290) 和 2810 ( ± 360) kg ha?1；一年生豆科牧草轮作使玉米籽粒产量分别增加 3420 (± 540)、4620 ( ± 420) 和 5690 ( ± 300) kg ha?1 。当施加 50 kg N ha?1氮肥时，仅在中等产量 - 氮响应条件下，大豆对玉米产量的轮作效应显著增加（3350 ± 400 kg ha?1）。继续增加合成氮肥施用量至 100 或 150 kg N ha?1时，大豆的轮作效应下降至约 1340 (± 130) kg ha?1。对于一年生豆科牧草，施加 50 kg N ha?1氮肥时，在低、中、高产量 - 氮响应条件下，其对玉米籽粒产量的轮作效应与不施氮时相似。但当氮肥施用量增加到 100 或 150 kg N ha?1时，在高产量 - 氮响应条件下，轮作效应显著降低；在中等产量 - 氮响应条件下，轮作效应相似。在低产量 - 氮响应条件下，施加 150 kg N ha?1氮肥时一年生豆科牧草对玉米产量的轮作效应（3670 ± 820 kg ha?1）大于施加 100 kg N ha?1氮肥时（1960 ± 610 kg ha?1） 。
氮肥替代值（NFRV）随施氮量增加而降低
在所有轮作系统中，随着合成氮肥施用量从 0 增加到 150 kg N ha?1，NFRV 逐渐降低。在低、中、高产量 - 氮响应条件下，大豆的 NFRV 分别在?106 至 31 kg N ha?1、?3 至 93 kg N ha?1和 52 至 62 kg N ha?1之间变化；一年生豆科牧草的 NFRV 分别在?48 至 77 kg N ha?1、29 至 191 kg N ha?1和 103 至 137 kg N ha?1之间变化。
通过这项 33 年的长期研究，研究人员明确了不同轮作系统在低、中、高氮响应条件下玉米产量与合成氮肥施用之间的关系。研究结果显示，一年生豆科牧草对玉米产量的提升效果优于大豆。而且，一年生豆科牧草和大豆轮作对玉米产量的影响程度，取决于合成氮肥的施用量和产量 - 氮响应模式。在产量 - 氮响应压力较大、合成氮肥施用不足的情况下，轮作效应更为显著。
这项研究成果意义重大。它为优化玉米生产的气候适应性提供了关键依据，同时有助于实现土壤资源更可持续的养分管理。农民可以根据土壤实际肥力、气候条件以及预期产量，合理选择轮作豆类作物和调控氮肥施用量，在保证玉米产量的同时，减少合成氮肥的使用，降低生产成本，减轻农业生产对环境的压力，促进农业的可持续发展。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：一是长期田间定位实验，在固定的实验场地设置不同的轮作处理和氮肥梯度，进行多年持续观测；二是气象数据监测，记录实验期间每年生长季的降雨量、作物热量单位和潜在蒸散量，分析气象条件对实验结果的影响；三是产量测定和数据分析，收获玉米并测定产量，运用 NFRV 方法评估轮作效应，根据产量数据进行分组和统计分析，得出不同轮作和施氮条件下玉米产量和 NFRV 的变化规律。
