少耕与基于豆科的作物多样化对雨养农业生态系统生产力、土壤碳储量及资源利用效率的长期影响

《Soil and Tillage Research》：Long-term effects of reduced tillage and legume-based diversification on productivity, soil carbon storage and resource-use efficiency in rainfed agroecosystems

　　

五项摘要

• 一项为期五年的田间试验评估了半干旱坎迪农业生态系统中耕作方式与多样化轮作的影响。

• 减少耕作使玉米当量产量提高了4.9%至6.0%。

• 在0–15厘米土层中，减少耕作使土壤有机碳（SOC）储量增加了14.3%。

• 减少耕作改善了土壤特性、经济效益和能源利用效率。

• 花生-鹰嘴豆和花生-小麦组合提高了生产力和资源利用效率。

引言

雨养耕作系统本质上对气候变化十分脆弱，因为作物生产在很大程度上取决于降雨量、降雨分布和降雨时机。在印度西北部半干旱和半湿润地区，包括旁遮普邦坎迪山麓地带，脆弱的土壤、起伏不平的地形、低土壤有机碳含量以及有限的土壤持水能力制约了作物生产力和资源利用效率（Dhillon等，2026）。频繁的季节内干旱进一步加剧了这些限制，导致作物产量和农场收益在时间上存在较大波动。因此，此类环境需要采取能够改善土壤保水、维持土壤质量并在变异性降雨条件下稳定生产力的管理措施（Rockstr?m等，2010；Srinivasarao等，2013；Lal，2020）。

传统密集耕作有利于整地和除草，但可能加剧土壤扰动、破坏土壤团聚体、加速有机质分解，并增加燃料和能源消耗。相比之下，减少耕作和保护性耕作则最大限度减少土壤扰动，并有可能改善土壤团聚、入渗、土壤保水和能源利用效率。然而，这些效益的幅度和一致性受土壤类型、气候、作物轮作顺序、残茬管理和实施时长的强烈影响（Lal，2020；Pittelkow等，2015）。来自印度次大陆的最新证据表明，保护性农业可以改善土壤碳储存，但其在作物生产力方面的效应并非普遍积极。一项基于印度544个配对观测的荟萃分析报告称，与传统耕作相比，保护性农业下作物产量总体下降1.15%，尽管在印度西部、北部和西北部观察到产量增加。在同一分析中，土壤有机碳含量和土壤碳封存分别增加了8.9%和7.3%，表明产量与土壤碳响应在地区、土壤特性、降雨和作物类型方面存在显著差异（Padbhushan等，2024）。

最近的长期研究进一步强调，保护性耕作的效益应在较长时间跨度和多个指标上进行评估。印度恒河平原西部一项14年试验表明，保护性耕作和残茬管理增加了土壤有机碳储量和碳封存，但降低了稻麦系统产量，尽管种植成本降低且总收益增加（Fagodiya等，2024）。

这些矛盾的发现表明，土壤碳的增加并不一定直接转化为更高的作物生产力，保护性耕作可能在生产力、碳储存和经济绩效之间存在权衡。相反，一项关于稻作系统中部分保护性农业的九年研究报告称，与传统耕作相比，碳储存增加40%，且在引入豆科作物后可持续产量指数提高8.1%，表明适当组合耕作方式与作物多样化可同时改善土壤碳储存和系统绩效（Kumar等，2024）。

在雨养条件下，保护性耕作尤为重要，因为改善的入渗和减少的土壤扰动可增加降雨被土壤剖面保留的比例。最近在喜马拉雅山西北部雨养坡耕地开展的研究表明，免耕减少了径流、土壤侵蚀和养分流失，而减少耕作结合多样化轮作则最大化了生产力和产量稳定性。同一研究报告称，免耕和基于豆科作物的轮作增加了表层土壤有机碳并降低了容重，但同时也表明免耕并不一定能够最大化系统生产力（Singh等，2026）。这些发现强调，在雨养环境下，适当的耕作减少程度和作物轮作顺序的选择对于优化保护性农业至关重要。

作物系统多样化是改善雨养农业生态韧性和资源利用效率的另一途径。纳入鹰嘴豆和花生等豆科作物可贡献生物固氮、改善养分循环、多样化农场收入并可能提高系统生产力。最近在印度恒河平原西部开展的研究表明，多样化的保护性农业系统在土壤物理、化学和生物特性方面优于传统系统，并提高了生产力和经济效益。该研究还报告，在多样化保护性农业情景下，土壤容重降低、团聚和入渗增加，土壤质量得到改善（Gora等，2024）。然而，这些效益的幅度因作物组合、环境条件、残茬管理和实施时长而异；因此，不应假设多样化在所有雨养环境下都能产生均一的效益。

最新证据还表明，保护性耕作下土壤有机碳的改善随着采用时长的增加而更为明显。印度恒河平原的一项五年研究发现，五年后土壤碳储量出现显著差异，颗粒态有机碳的变化为保护性农业下碳积累提供了早期指示（Mishra等，2024）。同样，最近一项关于保护性耕作的荟萃分析报告称，对土壤有机碳封存具有积极效应，但强调管理措施和环境条件之间存在相当大的变异性（Ma等，2024）。这些发现强调了长期田间试验在评估土壤碳变化及相关生产力响应方面的重要性。

经济效益是雨养农民采纳保护性农业的另一关键考量。减少耕作可降低燃料和田间作业成本，而作物多样化则可通过生产不同市场价值的作物来改善收入稳定性。然而，经济效益并不一定与土壤健康改善成比例，产量惩罚、杂草管理需求或额外投入可能会抵消保护性耕作在某些系统中的部分经济优势（Kumar等，2024）。因此，将生产力、土壤碳、水分利用效率、能源利用效率和经济效益一起评估，能够更全面地评估保护性管理措施的实际表现。

尽管印度保护性农业研究不断增加，但关于减少耕作在旁遮普邦坎迪山麓等脆弱雨养农业生态系统中，在多样化的以玉米和花生为基础的轮作中的表现仍相对有限。印度西北部的大部分保护性农业研究集中于灌溉型谷物系统，特别是稻麦系统，而在变异性降雨条件下以玉米和花生为基础的雨养轮作受到的关注较少。更重要的是，耕作强度与作物多样化如何交互影响作物及系统生产力、土壤物理质量、表层土壤有机碳储存、雨水利用效率、能源利用效率和经济效益，在这一环境中仍缺乏充分的量化研究。近年来印度荟萃分析报告的保护性农业地点特异性响应进一步强调了该地区实地评估的必要性（Padbhushan等，2024）。

为弥补这一特定空白，一项为期五年的田间试验评估了两种耕作系统（常规耕作和减少耕作）与六种以玉米和花生为基础的作物系统（涉及小麦、印度芥菜和鹰嘴豆）在雨养条件下的组合效应。该研究评估了作物及系统生产力、土壤物理化学性质、土壤有机碳储量、雨水利用效率、能源利用效率和经济效益。我们假设，减少耕作的响应将取决于作物轮作顺序，且其与多样化、特别是基于豆科作物的轮作相结合，将相比常规耕作系统，在土壤物理质量和土壤有机碳储存方面提供互补性改善，同时在生产力、水分利用、能源和经济方面带来收益。因此，本研究的创新之处并不仅仅在于试验时长，而在于在脆弱的坎迪雨养生产环境中，从多个农艺、土壤、资源利用、能源和经济维度测试耕作×作物系统的响应。这为确定哪些减少耕作与作物多样化的组合最适合改善雨养系统可持续性和韧性提供了地点特异性证据。

实验地点

该田间试验在印度旁遮普邦坎迪地区连续五年（2021–22至2025–26）开展。试验地点位于北纬31°09'、东经76°38'，海拔高于平均海平面346米。旁遮普邦划分为六个农气候区：亚山丘陵起伏地区、丘陵平原地区、中央平原地区、西部平原地区、西部地区和冲积平原地区。该地点代表雨养区

试验期间的天气条件

五年研究期间的降雨分布在年份间存在较大差异，反映了坎迪雨养生态系统高度变异的特征（图1）。年降雨量范围为812.8毫米（2024–25年）至1259.4毫米（2025–26年），与长期正常降雨量1059.7毫米相比。2023–24年和2025–26年的降雨量分别比正常值高16.6%和18.8%，而2024–25年的降雨量比长期平均值低23.3%。

西南季风期

天气变异性及其对作物和系统绩效的影响

五年试验期间降雨量存在显著的年际和季节变异性，这是旁遮普邦坎迪山麓地区雨养生产的一个特征。年降雨量范围为812.8毫米（2024–25年）至1259.4毫米（2025–26年），与长期正常值1059.7毫米相比。试验期间同时包括了高于和低于正常值的降雨条件，在个别月份偏差尤为显著。

结论

该五年田间研究表明，减少耕作结合作物多样化可以改善旁遮普邦坎迪地区雨养系统绩效的多个维度。减少耕作与改善的土壤物理状况、表层土壤有机碳储存、降雨利用效率、能源绩效和经济效益相关，而基于豆科作物的轮作则有助于提高系统生产力和养分有效性。其响应在作物轮作之间有所差异。

CRediT作者贡献声明

Balwinder Singh Dhillon：原创草案撰写、调查研究、正式分析、数据整理、概念设计、方法论。

Anil Khokhar：审阅与编辑、验证、数据整理、概念设计。

M.J. Singh：指导、资源支持、项目管理。

K.B. Singh：审阅与编辑、指导。

P.S. Sandhu：审阅与编辑、资源支持。

Abrar Yousuf：审阅与编辑、可视化、数据整理。

Mohammad Amin Bhat：审阅与编辑。

资金来源

本研究由印度农业研究理事会–干旱农业中央研究所（ICAR–CRIDA），印度海得拉巴，在"全印度干旱农业协调研究项目"（AICRP）资助下完成。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本工作竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度海得拉巴印度农业研究理事会–干旱农业中央研究所（CRIDA）主任和旁遮普邦农业大学（PAU）–区域研究站，巴洛瓦尔·桑克里，SBS那加（旁遮普邦）主任提供的财政支持，以及为开展本研究提供的必要设施和基础设施。对他们的支持和指导表示诚挚的感谢。

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