轮作对热带蔬菜田中氮氧化物的减排和土壤健康的好处

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Crop rotation benefits for nitrogen-oxide mitigation and soil health in tropical vegetable fields

本研究通过两年四季的试验，比较了热带蔬菜种植中轮作（苦瓜-茄子轮作）与连作（茄子连作）系统对土壤健康、微生物群落及N?O和NO排放的影响。结果表明，轮作系统显著降低N-氧化物排放因子（N?O:1.88% vs 2.32%；NO:0.15% vs 0.23%），提升蔬菜产量124.29%，改善土壤健康11.52%，其机制涉及微生物群落结构变化、noz基因丰度增加及矿化氮含量下降，证实轮作在促进土壤健康、减少排放和增产方面更具优势。

　　

魏天|梁飞龙|李荣|王金阳|刘树伟|韩兆强|邹建文

中国三亚市南京农业大学三亚研究院

摘要

在热带蔬菜生产中，连续种植和过量施肥会导致土壤酸化、微生物失衡以及氮（N）利用效率低下，这引发了对土壤健康和氮氧化物（N?O和NO）排放的日益关注。为应对这些环境挑战，采用多样化作物轮作等创新耕作系统变得至关重要。尽管先前的研究表明，多样化作物轮作系统可以改善土壤健康、提高作物产量并减少氮氧化物排放，但在热带气候条件下关于密集蔬菜种植系统的证据仍然有限。在此，我们在一个热带蔬菜田进行了为期2年、四个季节的试验，以研究作物轮作系统（苦瓜-茄子-苦瓜-茄子）与连续种植系统（茄子-茄子-茄子-茄子）对土壤健康、微生物群落以及相关氮循环基因丰度和氮氧化物排放通量的影响。与连续种植相比，作物轮作系统的肥料诱导氮氧化物排放平均因子显著降低（N?O：1.88% vs 2.32%；NO：0.15% vs 0.23%）。这种减少可能归因于土壤微生物群落组成的变化、nos基因丰度的增加以及矿质氮含量的下降趋势。作物轮作还使蔬菜等效产量提高了124.29%，并改善了土壤健康状况11.52%，同时增强了与碳和氮循环相关的酶活性。较低的氮氧化物排放也与较高的土壤健康状况相关。在连续种植模式下，酶活性通过生化约束机制调节氮氧化物排放，而在轮作系统中，土壤性质通过物理化学途径调节排放。我们的研究结果表明，与连续种植相比，作物轮作更有利于作物生产、土壤健康并减少热带农业中的氮氧化物排放。

引言

作为一种长寿命的温室气体，一氧化二氮（N?O）在全球变暖和平流层臭氧破坏中起着重要作用（Ravishankara等，2009；Butterbach-Bahl等，2013）。一氧化氮（NO）促进了臭氧前体和硝酸的形成（Schreiber等，2012；Han等，2024b）。这些氮氧化物共同加剧了全球气候变化并危害人类健康（Anenberg等，2012）。在全球蔬菜生产中，密集的氮肥管理结合频繁灌溉和高种植密度为土壤硝化和反硝化提供了条件，从而引发了N?O和NO的排放（Granados等，2013；Zhang等，2015；Yangjin等，2021）。蔬菜种植系统的N?O+NO综合排放因子估计为4.13%，使其成为农田中氮氧化物排放的热点区域之一（Liu等，2016）。识别蔬菜生产中氮氧化物排放的驱动因素对于制定减少环境影响同时可持续提高产量的策略至关重要。

中国仅使用全球1.7%的耕地面积就生产了全球50%的蔬菜，但其化学肥料消耗量占全球的7.8%（Wang等，2021b）。位于中国南部的海南岛占全国热带土地总面积的42.5%，是该国主要的冬季蔬菜生产基地（Li等，2022b）。丰富的热液资源和密集的氮肥投入使得热带蔬菜田中的氮氧化物排放量大幅增加，N?O的排放因子甚至超过了3.0%（Tian等，2025）。为了获得更高的产量和经济效益，海南岛的密集蔬菜生产系统中普遍采用连续种植模式（Zhao等，2019；Fan等，2024）。连续种植不仅会降低土壤质量、减少微生物多样性并降低产量，还可能引发硝酸盐积累，从而增加土壤氮氧化物排放（Wantzen和Mol，2013；Li等，2022b；Wang等，2024c）。此外，长期连续种植会改变土壤微生物群落结构，改变氮循环基因的丰度，尤其是增强了病原真菌产生N?O的能力（Huang等，2021；Liu等，2022）。为应对连续种植带来的食品生产和环境可持续性挑战，采用多样化作物轮作的综合农业系统等创新解决方案变得迫切（Yang等，2023）。尽管有少数研究比较了热带农业中作物轮作与连续种植的N?O和NO排放情况，但关于热带蔬菜田中土壤健康、微生物群落和氮氧化物排放之间的关联知之甚少。

人们越来越认识到改善土壤健康是提高作物产量的关键策略（Lehmann等，2020；Qiao等，2022；Li等，2023）。土壤健康指标的选择基于信息性、敏感性、有效性和相关性等特征，并逐渐扩展到包括环境、生物和生态领域在内的多个方面（Bünemann等，2018；Zhang等，2023c；Huang等，2025）。在连续蔬菜种植系统中，土壤通过酸化、结构退化和微生物多样性降低而退化，这可能间接影响氮氧化物排放，因为这些因素会干扰反硝化和微生物氮循环（Zhu等，2014；Zhang等，2021；Zhang等，2023）。此外，多样化作物轮作已被证明可以减少温室气体排放并改善土壤健康（Yang等，2023）。量化土壤健康与氮氧化物排放强度之间的关系有助于及早发现有害的环境趋势，为减少氮氧化物排放和稳定作物生产力奠定科学基础。

在这里，我们在热带密集蔬菜田进行了为期2年、四个季节的试验，比较了连续种植（茄子-茄子-茄子-茄子）和作物轮作（苦瓜-茄子-苦瓜-茄子）模式下的氮氧化物强度、土壤健康和作物产量。本研究旨在探讨热带蔬菜田中土壤健康、微生物群落和氮氧化物排放之间的关联。具体而言，我们首先概述了不同蔬菜种植系统下N?O和NO排放通量的季节性变化。其次，我们阐明了导致连续种植和作物轮作系统之间氮氧化物排放差异的驱动因素和微生物机制。最后，我们评估并比较了不同蔬菜种植系统下的土壤健康状况，并建立了它们与氮氧化物排放之间的相关性。我们假设与连续种植相比，作物轮作通过改善土壤健康来减少氮氧化物排放。这项工作为优化热带蔬菜田中的种植制度提供了科学依据，以促进作物生产、土壤健康并减少氮氧化物排放。

实验地点设置与描述

这项为期两年的田间试验于2023年5月至2025年1月在海南省三亚市八斗实验基地（18°23’N，109°8’E）的当地蔬菜田进行。该地区属于热带季风气候，年平均气温为25.8℃，年降水量为1637毫米。根据世界土壤资源参考基准（WRB，2022），实验用土壤被归类为冲积土。0–20厘米表土层的基本物理化学性质如下：

蔬菜产量、植物病害指数和土壤性质

四个种植季节中，土壤温度和WFPS（水填充孔隙空间）均表现出明显的季节性变化（图S2）。土壤温度随时间逐渐下降，平均值为25.8°C，而WFPS则先上升后下降，平均值为34%。连续种植和作物轮作模式下的等效产量存在季节性差异（图1a）。与连续种植相比，作物轮作下的等效作物产量显著

作物轮作通过影响非生物因素来减少氮氧化物排放

与作物轮作模式相比，连续种植显著增加了氮氧化物排放及其相关排放因子（图3）。这一发现与现有田间研究结果一致，这些研究表明轮作系统比单一作物种植模式具有更高的产量和更低的N?O排放（Drury等，2008；Drury等，2014）。在我们的研究中，第一个种植季节的N?O排放峰值约为1200 N μg·m2·h?1，处于

结论

本研究强调了土壤健康与氮氧化物排放之间的负相关关系。在热带蔬菜种植系统中，与过度施肥的连续种植系统相比，作物轮作显著减少了氮氧化物累积排放和排放因子。这种排放减少和产量增加的效果源于土壤健康的改善，包括土壤养分供应的增加、微生物多样性的提高、酶活性的增强以及pH值的改善。此外，这些变化

作者贡献声明

魏天：调查、方法论、数据分析、可视化、初稿撰写。梁飞龙：调查。李荣、王金阳和刘树伟：调查、撰写——审稿与编辑。韩兆强：概念构思、撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。邹建文：概念构思、监督、资金获取、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了海南省自然科学基金（325QN369）、国家自然科学基金（42407472、42177285）、江苏省自然科学基金（BK20241557）以及中国博士后科学基金（2023M731725）的支持。