综合养分管理提升饲草高粱系统的多功能可持续性：基于指数的多元评估

《Agricultural Systems》：Integrated nutrient management enhances multifunctional sustainability of fodder sorghum systems: An index-based multivariate assessment

　　

•整合养分管理提高了饲草高粱的土壤肥力。
•整合养分管理提高了氮素利用效率。
•整合养分管理提高了干物质和蛋白质产量。
•多变量分析揭示了土壤与牧草功能之间的协同效应。
•整合养分管理改善了整体系统的可持续性。

引言
以牧草为基础的种植系统通过将土壤资源、饲料供应、动物表现和农场生计连接在混合农-牧农业生态系统中，支撑着畜牧业生产（Thornton和Herrero, 2015；Ryschawy等, 2017）。充足且营养均衡的饲料对于维持奶肉产量、保持动物健康和确保农场收入稳定至关重要（Van Soest, 1994a；Makkar, 2016）。然而，在许多地区，牧草种植已被粮食生产所取代，导致饲料供需之间持续存在缺口（Hristov等, 2013；Herrero等, 2020）。这种短缺降低了畜牧生产率，增加了饲喂成本，并提高了对季节性短缺和气候变异的脆弱性（Godde等, 2021）。因此，提高饲料的产量和质量不仅对作物表现至关重要，也对畜牧业生产系统的韧性至关重要。来自高粱系统的最新证据进一步证实，氮素管理可以显著影响牧草的产量和质量，凸显了从生物量生产之外评估养分管理的必要性（Bartzialis等, 2023）。

这些限制在半干旱环境中尤为突出，土壤肥力下降和低效的养分管理限制了牧草的生长（Vanlauwe等, 2015；Stewart等, 2005）。有限有机投入下的持续耕作降低了土壤有机质，削弱了团聚体结构，损害了养分缓冲能力，从而限制了肥料回收和植物吸收（Palm等, 2014；Bünemann等, 2018）。不良的土壤结构和生物活动限制了根系发育和养分捕获，因此仅增加施肥量往往导致边际效益递减（Lehmann等, 2020）。因此，通过更高化学投入来强化饲料生产的尝试往往导致低养分利用效率和通过淋溶、挥发和径流造成的损失增加（Sutton等, 2011；Zhang等, 2015）。长期证据还表明，与仅使用肥料相比，整合养分管理可以改善土壤有机碳、养分有效性和土壤健康，强调了在维持作物生产力的同时重建土壤资源库的重要性（Walia等, 2024）。

这种低效也带来了环境成本。活性氮素损失导致水体污染和温室气体排放，而过量使用能源和肥料增加了农业的环境足迹（Smith等, 2014；Poore和Nemecek, 2018）。农业现已被认为是与肥料和土壤过程相关的人为排放的重要来源（IPCC, 2022；Clark等, 2020）。因此，仅基于外部投入的强化策略有可能恶化维持长期生产力的土壤资源（Tilman等, 2002；Foley等, 2011）。田间证据表明，适当的养分整合可以同时影响产量、氮素利用效率、农场利润率和温室气体排放，表明养分管理决策涉及相互关联的农艺学、经济和环境结果（Islam等, 2024）。这些局限性凸显了需要以土壤为中心的养分管理方法，强化内部生态过程，而不是简单地增加投入水平。

整合养分管理（INM）将有机改良剂与矿物肥料相结合，提供了一种这样的方法。包括农家肥、堆肥和作物残茬在内的有机物质提供碳基质，增强微生物活性、团聚体和养分保持能力，从而改善土壤结构和养分缓冲（Chivenge等, 2011；Vanlauwe等, 2015）。养分释放与作物需求之间同步性的改善增强了肥料回收并减少了损失（Palm等, 2014）。长期试验一致表明，与仅使用矿物肥料相比，整合养分投入可持续更高的土壤碳储量、更高的养分有效性和改善的作物生产力（Diacono和Montemurro, 2010；Agnegnu等, 2016）。近期研究同样报道了在整合养分管理下土壤健康、养分有效性和作物生产力的改善，尽管这些效益的幅度因作物、土壤和有机资源特征而异（Kharlukhi等, 2024；Walia等, 2024）。

然而，整合养分管理的效益不应被视为普遍的或不取决于有机源特征的。有机改良剂在分解速率、碳氮比和氮素释放模式上存在显著差异，因此它们对植物有效氮的贡献可能与矿物肥料不同。最新的实验证据表明，有机改良剂的碳氮化学计量比调节微生物生物量形成和氮素矿化，证明改良剂组成可以促进或限制矿物氮对作物的有效性（Smith等, 2024）。同样，有机改良剂的氮肥替代价值是变化的，表明有机供给的氮不能假设为与矿物肥料氮以一比一相等（Westerik等, 2024）。因此，同步性差或矿化缓慢的有机投入可能会暂时固定氮素或无法满足作物高需求期，而适当组合的有机和矿物来源可以提供互补的氮素有效性。这种背景依赖性为将整合养分管理作为养分同步策略而非简单地用有机投入替代矿物肥料提供了重要基础。

在牧草系统中，这些土壤效益超越了生物量生产，延伸至营养价值改善。畜牧表现主要取决于粗蛋白浓度、消化率和代谢能，而非仅取决于产量（Van Soest, 1994b；Buxton和Redfearn, 1997）。平衡的氮素供应增强蛋白质积累并减少纤维沉积，增加饲料摄入量和动物生产力（Jung和Allen, 1995）。高粱研究的最新证据确认，氮素施肥可以同时改变牧草生产力和质量特征，强化了使用同时捕获营养产出和生物量的指标来评估养分管理的依据（Bartzialis等, 2023）。因此，整合养分策略有潜力在土壤肥力、养分利用效率、饲料产量和饲料质量方面产生同时收益，从土壤到畜牧产生级联效益。

由于这些过程在生物学上是相互关联的，改善很少独立发生。增强土壤有机质促进养分保持；更高的养分回收支持生物量和蛋白质合成；而更高的饲料质量改善畜牧产出和农场利润（Six等, 2002；Ladha等, 2005；Herrero等, 2013）。近期的整合养分管理研究通过展示对生产力、土壤性质、养分利用效率、利润率和环境表现的同步影响，强化了这一多功能视角（Islam等, 2024；Walia等, 2024）。这些相互依赖性代表了由强化的生态过程产生的生态系统服务束，而非孤立的农艺学响应（Millennium Ecosystem Assessment, 2005；Bennett等, 2009）。在多样化和以保护为导向的系统中也观察到类似的多功能效益，其中土壤恢复驱动生产力和环境表现的同步改善（Pretty和Bharucha, 2014）。这些观察表明，仅通过产量或养分利用效率来评估养分管理并不能完整理解系统表现。

因此，农业可持续性日益被视为多维度的，涵盖土壤健康、资源利用效率、生产质量、环境完整性和经济可行性。基于指标和多变量评估框架被推荐用于整合这些维度并揭示功能之间的权衡或协同关系（Binder等, 2010；Schader等, 2014）。综合指数、排序方法和聚类方法能够识别从单一指标中不明显的协调系统行为（de Olde等, 2016；Marchand等, 2014）。近期的方法学工作确认，农业可持续性评估继续使用多样的指标选择、归一化、权重和聚合程序，且聚合方法的选择可以影响产生的可持续性评分和排名（Grigoroudis等, 2024）。因此，特定系统指数的价值不在于使用综合指数本身，而在于选择代表与生产系统最相关功能的指标，并在得出总体评估之前考察它们之间的关系。此类整合工具对于作物-畜牧系统尤为相关，因为在这些系统中农艺学和经济结果是紧密耦合的。

尽管取得了这些进展，但关于牧草作物中整合养分管理的综合系统层面评估仍然稀缺。大多数研究聚焦于产量、养分吸收、土壤性质或单个质量属性，对土壤改善、养分效率、饲料质量和整体可持续性如何交互提供了有限洞察。此外，近期的可持续性评估框架主要强调更广泛的农场层面、区域或国家维度，而能够同时在田间规模饲料生产系统中捕获土壤肥力、氮素利用效率和饲料质量功能的定量评估方法仍然有限（Blanco-Gutiérrez等, 2024）。这一缺口对于饲草高粱（Sorghum bicolor L.）尤为显著——这是一种耐旱、高生物量的作物，在半干旱地区广泛种植以支持畜牧饲料安全，同时对土壤肥力管理高度敏感。来自高粱系统的最新证据进一步证明，氮素管理影响产量、氮素利用效率和牧草质量（Holman等, 2024；Zhou等, 2024；Mopagar等, 2024），但未解决土壤肥力、氮素利用效率、营养生产力、可消化能和饲料价值如何共同响应整合养分管理的问题。确定整合养分策略是否能产生协调的多功能收益，以及如何客观评估这些收益，对于设计韧性强化路径仍然至关重要。

因此，本研究通过在饲草高粱中开发并标准化一组互补的、特定系统的指标指数来评估整合养分管理实践，代表土壤肥力改善、氮素利用效率、营养生产力、可消化能产量和饲料价值，随后将其整合为一个综合可持续性指数。然后应用多变量分析工具，包括热图、主成分分析、聚类和排名，来综合这些指标并识别功能服务束、协同效应和系统类型。本研究的创新之处在于，其并非基于指标评估可持续性的普遍概念（这一概念已充分建立），而在于其应用于饲草高粱系统中土壤、氮素利用和牧草质量功能的整合评估。我们假设整合养分管理将（i）在土壤、效率和饲料质量功能上产生同步改善，（ii）产生协同束而非孤立的产量效应，以及（iii）当组成部分指标被联合评估而非独立评估时，提供更信息丰富的系统多功能性解释。通过整合土壤、作物、畜牧和系统维度，本工作旨在为半干旱农业生态系统中基于高粱的农-牧系统的可持续强化提供一个整体框架。

实验地点
田间试验于2021年和2022年的kharif季节在印度北方邦马图拉马克杜姆的ICAR-中央山羊研究所（ICAR-Central Institute for Research on Goats, Makhdoom, Mathura, Uttar Pradesh, India）（27.10° N, 78.02° E；海拔169.2米）的研究农场进行。该地点代表印度中北部的半干旱Yamuna ravine农业生态学区域，以炎热夏季和变化多端的季风雨量为特征（补充图S1）。在作物生长期内，2021年总降雨量为257.7毫米，2022年为314.0毫米。

土壤-作物-饲料-经济表现的整合
整合养分管理在土壤肥力、作物生产力、牧草质量和经济表现方面产生了协调的改善，尽管响应幅度因有机氮和无机氮的比例和来源而异（表2）。在施用有机投入的处理中，土壤响应尤为显著。ΔSOC（土壤有机碳变化量）在T2（通过蚯蚓堆肥提供100%推荐氮量；0.29%）下最高，与T3（0.26%）和T8（0.23%）在统计上相当，但显著……

通过养分整合实现生态系统服务束化
整合养分管理（INM）长期以来一直被视为投入密集型施肥的一种以土壤为中心的替代方案。与仅使用矿物肥料主要解决短期养分需求不同，整合养分管理修改了调节作物长期表现的土壤环境和养分循环过程。因此，其影响超越了产量响应，扩展到更广泛的系统功能。在土壤肥力、养分利用效率等方面观察到的协调改善……

局限性与未来研究
所提框架的适用性和进一步强化可以通过更长期和更大规模的评估来增强。多年期实验将提供关于整合养分管理下土壤肥力、养分循环和土壤碳变化的持久性的更深入了解，而跨不同土壤和气候条件的多地点研究将有助于建立所观察到的关系的一致性和可转移性。此类验证将……

结论
本研究证明，饲草高粱中的整合养分管理作为一种系统层面策略，同时增强多种农业生态系统服务，而非仅改善产量。土壤肥力、养分利用效率、生物量生产力、牧草营养价值和综合可持续性指数的协调收益表明，养分整合在产量改善之外强化了多功能系统表现。在所评估的养分……

CRediT作者贡献声明
Mohd. Arif：撰写-初稿，监督，项目管理，方法论，调查，正式分析，概念化。R. Pourouchottamane：资源，项目管理，调查，概念化。Ravindra Kumar：监督，方法论，正式分析。Arvind Kumar：监督，方法论，调查，概念化。M.A. Ansari：撰写-审阅与编辑，可视化，方法论，概念化。

穆罕默德·哈桑尼（Mohammad Hasanain）：写作 – 审阅与编辑

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究产生影响。

致谢：感谢印度马图拉ICAR-山羊研究中心主任为本研究的开展提供所需的设施。

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