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针对集约化耕作与磷资源短缺挑战，研究人员开展五年田间试验，探究含豆科作物（大豆、毛苕子）的轮作系统对土壤磷组分、酶活性及后茬作物磷吸收与产量的影响。发现毛苕子和大豆轮作显著提高作物产量，毛苕子提升土壤 Olsen-P 和活性磷，揭示豆科作物在轮作中对土壤磷转化和作物增产的重要作用。
在农业可持续发展的征程中，土壤磷素的高效利用始终是一道棘手的难题。一方面，集约化农业生产对磷肥的过度依赖，不仅加速了有限磷矿资源的消耗 —— 据测算，按当前施用速率，磷矿资源仅能维持约 454 年，还引发了土壤磷素积累、水体富营养化等环境问题。另一方面，土壤中高达 70%-90% 的磷因与黏土矿物、金属氧化物结合而成为作物难以直接利用的无效态，导致 “磷肥越施越多，作物越缺磷” 的恶性循环。如何打破这一困局，通过生态友好的方式提升土壤磷有效性，成为全球农业科研的焦点议题。
为破解上述难题，中国河北邯郸曲周实验站的研究团队开展了一项为期 5 年（2.5 个轮作周期）的田间试验。研究以华北平原典型的小麦 - 玉米（WM）轮作为对照，设计了引入大豆（豆科粮食作物）、毛苕子（豆科覆盖作物）及休耕的四种轮作系统，每个系统设置施磷（P1）与不施磷（P0）两个处理，系统探究豆科作物在轮作中对土壤磷循环及后茬作物产量的影响。相关成果发表于《European Journal of Agronomy》，为可持续农业中的磷管理提供了新视角。
研究主要采用以下技术方法：
- 田间试验设计：在河北曲周实验站（36.9°N, 115.0°E）设置长期定位试验，涵盖四种轮作模式与两种磷水平，重复三次。
- 土壤磷组分分析：采用 Hedley 分级法，将土壤磷划分为活性磷（labile P）、中等活性磷（moderately labile P）和非活性磷（non-labile P），测定各组分含量。
- 酶活性与微生物指标：检测碱性磷酸酶（ALP）活性及微生物生物量磷（MBP），分析其与磷转化的关联。
- 作物产量与磷吸收测定：收获期测定小麦、玉米的籽粒产量及地上部磷吸收量，计算磷利用效率。
豆科作物轮作显著提升后茬作物产量
在不施磷条件下（P0），毛苕子轮作（WM+Hv）和大豆轮作（WM+S）使小麦产量较对照分别提高 26.4% 和 14.8%，玉米产量提高 8.9% 和 8.7%；施磷条件下（P1），毛苕子仍使小麦产量提升 20.3%。大豆轮作的增产效应在部分年份未达显著水平，可能与大豆秸秆碳氮比（C/N）较低、分解速率快但磷归还量有限有关。
毛苕子轮作显著改善土壤磷有效性
无论是否施磷，毛苕子轮作均显著提高土壤 Olsen-P（速效磷）含量。在 P0 处理中，毛苕子轮作使活性磷和中等活性磷分别增加 43.4% 和 24.2%，而施磷处理仅增加 14.1% 活性磷。这表明毛苕子通过秸秆磷归还（较玉米秸秆含磷量高 30%-50%）和根系分泌物活化作用，优先在低磷条件下促进非活性磷向活性态转化。
秸秆磷归还驱动磷形态转化的机制
结构方程模型（SEM）显示，在 P0 条件下，秸秆磷归还量与碱性磷酸酶（ALP）活性、微生物生物量磷（MBP）呈正相关，三者共同驱动非活性磷向中等活性磷、活性磷的级联转化。而施磷处理中，高浓度活性磷可能抑制根系与微生物合成磷酸酶，削弱了这一转化路径，导致毛苕子的增效作用减弱。
研究结论与意义
本研究证实，在小麦 - 玉米轮作中引入豆科作物（尤其是毛苕子）可通过 “秸秆磷归还 - 酶促转化 - 活性磷提升” 路径，显著改善土壤磷有效性，且在不施磷条件下实现后茬作物大幅增产。这一发现为华北平原等集约化农业区提供了 “减磷不减产” 的可持续解决方案：通过种植豆科覆盖作物（如毛苕子），既能减少磷肥投入、缓解资源压力，又能通过生物循环提升土壤磷供给能力，降低面源污染风险。
值得注意的是，豆科作物的效应与磷水平密切相关 —— 在低磷土壤中，其通过生物活化机制主导磷循环；而在高磷土壤中，需警惕过量施磷可能抵消豆科作物的生态效益。未来研究可进一步探索豆科作物与菌根真菌的协同作用，以及不同气候区的轮作适配模式，为全球农业磷管理提供更普适的科学依据。
