豆科作物与覆盖作物协同增效：探索新鲜籽粒豆类轮作系统中氮素可持续性与土壤碳固存的关键机制

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nitrogen sustainability and soil carbon sequestration in fresh grain legume-based rotations: The vital role of the cover crop mixture

本研究针对新鲜籽粒豆类(GL)轮作系统中如何同步实现氮(N)素可持续与土壤碳(C)固存的科学问题，通过两年田间试验系统量化了豆类-覆盖作物复合系统的氮循环效率与碳输入通量。研究发现蚕豆(faba bean)与混合覆盖作物(黑麦草+车前草+菊苣)的协同组合可显著提升后续谷物产量，其碳输入量(5 Mg C ha?1)达到前茬主作物的五倍，首次通过13CO2标记法验证了根际沉积碳(ClvR)与根片段碳(CRF)的计算假设，为可持续农业系统设计提供了实证依据。

　　

在全球气候变化和粮食安全双重挑战下，如何通过农业管理措施实现土壤碳固存与养分高效利用已成为国际前沿课题。豆科作物因其特有的生物固氮能力，被广泛认为是减少化学氮肥使用、降低温室气体排放的关键作物。然而，传统豆科作物系统存在氮素流失风险高、土壤碳积累有限等问题，特别是在北欧气候条件下，豆科作物成熟期晚导致覆盖作物生长窗口短，限制了其生态效益的充分发挥。

为解决这一矛盾，丹麦奥胡大学农业生态系的研究团队在《Agriculture, Ecosystems and Environment》发表了创新性研究。他们设计了一种"新鲜籽粒豆类-覆盖作物"接力种植模式，将豆科作物提前至鲜食阶段采收（7月），为后续覆盖作物留出更长生长期。通过两年期田间试验，首次同步量化了整个轮作序列中豆科作物与覆盖作物对土壤碳氮循环的协同效应。

研究团队采用多学科交叉技术手段：通过¹⁵N同位素稀释法精确测定生物固氮量；运用多脉冲¹³CO₂标记技术追踪碳在植物-土壤系统的流向；建立改进的质量平衡模型计算根片段碳(C_RF)和根际沉积碳(ClvR)；采用分层土壤采样（0-100 cm）评估养分垂直分布。所有试验均在丹麦有机农业体系下进行，包含16个主小区和48个子小区的随机区组设计。

3.1 主作物地上部干物质、碳和氮产量

数据显示蚕豆表现出最高的生物固氮能力，其地上部氮含量达170 kg N ha^?1，显著高于豌豆。豆科作物整体氮产量（180-200 kg N ha^?1)比大麦参考(80 kg N ha^?1)提高125%以上，印证了豆科作物在氮素输入方面的优势。

3.2 根片段碳的验证与贡献

研究首次实验验证了根片段碳计算的核心假设，证实根片段与主体根系具有相似的¹³C丰度。根片段碳占根系总碳的比例达9%-77%，且随土壤深度增加而升高，表明传统方法可能严重低估植物碳输入。

3.3 植物碳输入特征

大麦主作物的地下碳输入(2.1 Mg C ha^?1)显著高于豆科作物(0.9-1.0 Mg C ha^?1)。但豆科作物系统通过覆盖作物实现碳补偿，混合覆盖作物地下碳输入(2-3 Mg C ha^?1)是纯黑麦草的2倍。

3.4 碳输入总量比较

蚕豆-混合覆盖作物系统的总碳输入(5.4 Mg C ha^?1)与大麦参考系统(5.8 Mg C ha^?1)相当，证明通过优化豆科-覆盖作物组合可弥补豆科作物自身碳输入较低的局限。

3.5 后续作物氮利用效率

覆盖作物有效降低了豆科作物系统的氮淋溶风险。特别发现蚕豆-覆盖作物组合使后续大麦籽粒氮产量提高13%，而大麦-黑麦草组合则出现氮竞争抑制现象。

本研究通过创新实验设计和方法学验证，揭示了豆科-覆盖作物系统协同增效的机理。首先，早期收获的新鲜豆类策略为覆盖作物争取了关键生长时间，使覆盖作物碳输入达到主作物的5倍，突破了传统豆科系统碳积累的瓶颈。其次，蚕豆与深根性覆盖作物（菊苣、车前草）的组合表现出显著互补效应，既能高效利用豆科作物固定的氮素，又能通过深层根系活动促进碳在土壤剖面的分布。

在方法学层面，研究团队建立的¹³C标记-质量平衡模型为准确量化根际碳流程提供了新范式。通过校正根片段碳的贡献，发现根际沉积碳比例(16-32%)显著低于传统模型假设(33%)，这对改进土壤碳循环模型参数具有重要价值。

从农业实践角度，本研究为北欧气候区豆科作物生产提供了优化路径。通过调整行距配置、筛选互补性覆盖作物品种、优化收获时间等管理措施，可同步实现新鲜豆类生产、氮素高效利用和土壤碳固存的多重目标。这种"碳-氮协同"模式不仅适用于有机农业体系，也为常规农业的绿色转型提供了参考框架。

研究结果对全球气候变化背景下的可持续农业发展具有启示意义：一方面证实了植物-土壤系统碳氮耦合循环的可调控性，另一方面为农业生态系统的多功能性设计提供了实证基础。未来研究可进一步探索不同土壤类型、气候条件下豆科-覆盖作物系统的适应性和稳定性，以及碳输入在土壤中的长期固存效率，为构建气候智慧型农业提供理论支撑和实践指南。