豆科作物轮作对甜菜产量及氮素动态的影响机制研究

本研究针对甜菜(Beta vulgaris L.)轮作体系中氮素利用效率低下的问题，通过长期田间试验比较豌豆(Pisum sativum L.)与小麦(Triticum aestivum L.)作为前茬作物对后续芥菜(Sinapis alba L.)覆盖作物-甜菜-冬小麦序列的影响。研究发现豌豆前茬使芥菜生物量增加81%、氮吸收量提升116%，并显著提高甜菜块根产量(+6%)和糖产量(+4%)，同时减少氮肥施用量23 kg N ha-1。该成果为可持续甜菜种植提供了氮肥优化管理方案，发表于《Nutrient Cycling in Agroecosystems》。

　　

在可持续农业发展的背景下，如何优化作物轮作体系以提高氮素利用效率成为关键科学问题。甜菜作为重要的经济作物，其生产过程中常面临氮肥过量施用导致的环境污染风险。传统以谷物为主的轮作模式存在氮素利用效率低、土壤质量下降等问题，而豆科作物因其固氮特性可能成为改良轮作体系的突破口。然而，豆科作物对后续甜菜生长及氮循环的长期影响机制尚不明确，特别是当轮作体系中存在覆盖作物这一中间环节时，其传导效应更缺乏系统研究。

Dennis Grunwald和Heinz-Josef Koch在德国哥廷根开展的长期定位试验中，创新性地比较了豌豆与小麦作为前茬作物对后续芥菜覆盖作物-甜菜-冬小麦序列的影响。研究采用田间试验设计，设置4个轮作序列重复，通过测定作物产量、生物量、氮吸收量及土壤矿质氮含量等指标，系统分析了豆科作物在甜菜轮作体系中的生态效应。关键技术包括：1) 多年度(2018-2024)田间对比试验设计；2) 覆盖作物与主作物生物量及氮含量测定；3) 0-90 cm土层矿质氮(SMN)动态监测；4) 糖含量极化分析法(ICUMSA标准)。

研究结果揭示：

1. 1.

   前茬作物对覆盖作物的影响：豌豆作为前茬使后续芥菜生物量达5.8 Mg ha^-1，显著高于小麦前茬的3.2 Mg ha^-1，且氮吸收量增加116%。土壤矿质氮在芥菜终止时高出97%，显示豆科作物显著提升系统氮素有效性。

2. 2.

   甜菜生长响应：尽管豌豆序列中甜菜氮肥施用量平均减少23 kg N ha^-1，其块根鲜重(97.4 vs 91.6 Mg ha^-1)和糖产量(16.5 vs 15.8 Mg ha^-1)均显著提高。值得注意的是，甜菜叶片氮吸收量增加更明显，暗示需警惕过量氮素的环境风险。

3. 3.

   氮素去向分析：甜菜收获后，尽管豌豆序列中叶片残留氮量增加34 kg N ha^-1，但后续小麦的SMN含量和产量未见显著差异，表明额外氮素可能通过气体排放或淋失途径损失。

4. 4.

   系统氮平衡：整个轮作序列中，豌豆前茬使氮肥总投入减少23 kg N ha^-1，同时作物氮吸收量增加13 kg N ha^-1，实现"减氮增效"目标。但残留生物质氮增加84 kg ha^-1的归宿仍需进一步研究。

讨论部分强调，该研究首次系统阐明了豆科作物-覆盖作物-甜菜这一新型轮作模式的氮素传递机制。豌豆通过提升覆盖作物生物量和降低C:N比(13.6 vs 16.8)，创造更有利的甜菜生长环境。研究建议甜菜种植中应根据前茬类型动态调整施肥策略：在豌豆序列中可减少30-60 kg N ha^-1施肥量，既维持产量又降低环境风险。但需注意甜菜叶片氮含量增加可能带来的N₂O排放问题，这需要通过优化覆盖作物管理等措施加以调控。该成果为设计气候智能型轮作体系提供了重要理论依据，未来需在不同生态区验证其普适性。