提升稻田氮素利用效率的创新路径：农牧结合与稻豆轮作体系的协同效应

【编辑推荐】巴西研究团队针对稻田氮肥利用率低（NUE仅33%）及环境风险问题，通过田间与温室15N示踪实验，对比传统耕作（R-CT）与免耕农牧结合系统（R-ICLS/R/S-ICLS）。结果揭示稻豆轮作（R/S-ICLS）使水稻增产2.8 Mg ha?1，氮肥依赖率降至24%，为亚热带稻田可持续集约化提供范式。

　　

在全球粮食安全压力下，水稻作为养活半数人口的主粮，其生产却面临氮肥利用率低下与环境污染的双重挑战。传统稻田管理依赖高量氮肥投入，但氮素表观回收率（ARE）仅33%，过量施用导致水体富营养化、土壤酸化等问题。巴西作为全球前十水稻产国，其南部亚热带稻田长期采用翻耕-冬闲-单季稻（R-CT）模式，土壤氮库持续耗竭。更棘手的是，连续水稻单作会引发微生物固氮效应，进一步降低氮有效性。如何破解这一困局？巴西研究团队创新性提出将农牧结合系统（ICLS）与豆科轮作相结合，试图通过系统多样性重构氮循环路径。

为验证这一设想，研究团队在巴西南里奥格兰德州（31°37’S）开展田间试验，对比传统R-CT与两种免耕ICLS系统：冬季放牧+单季稻（R-ICLS）、冬季放牧+稻豆轮作（R/S-ICLS）。通过¹⁵N标记尿素示踪技术，首次量化了不同系统中肥料氮与土壤本底氮的贡献比例。

关键技术方法
研究采用田间定位试验与温室¹⁵N示踪相结合的策略。田间试验设置3种管理系统（R-CT/R-ICLS/R/S-ICLS）与2个氮水平（0/180 kg N ha^?1），测定水稻生物量、产量及氮积累量。温室实验通过¹⁵N标记尿素（丰度5.3%）精确追踪肥料氮去向，结合质谱分析计算氮素来源贡献率。

研究结果

产量响应与氮效率
氮肥使各系统增产4 Mg ha^?1，但基础产量差异显著：R/S-ICLS以9.7 Mg ha^?1居首，较R-CT（6.8 Mg ha^?1）提升43%。值得注意的是，R/S-ICLS的氮肥表观回收效率（ARE）达58%，是R-CT（31%）的1.9倍。

氮源解析
¹⁵N示踪显示惊人差异：R-CT系统74%植株氮源自肥料，而R/S-ICLS仅24%。这表明稻豆轮作激活了土壤氮库，其本底氮供应量是传统系统的3倍。冬季牧草残留与豆科生物固氮共同构建了"氮缓冲池"，使水稻生长季氮释放与需求同步化。

讨论与意义
该研究揭示了系统多样性对氮循环的重编程作用：免耕减少氮淋失，牧草根系分泌物促进有机氮矿化，而大豆残体的C/N比（约20:1）优化了微生物氮周转。这种"三位一体"模式使R/S-ICLS的每公斤氮肥增产效率达24 kg grain/kg N，较传统系统提升160%。

论文发表于《Field Crops Research》的结论部分强调，这种低投入-高效益模式尤其适合发展中国家。按巴西当前水稻面积推算，全面推广R/S-ICLS每年可减少氮肥用量38万吨，相当于减少1.2亿吨CO₂当量排放。研究为全球稻田可持续发展提供了可复制的技术模板，其核心价值在于通过生态位互补，将环境成本转化为生产力增益。