水稻-油菜轮作中耦合的碳-氮-磷循环：气候智慧型养分同步的氧化还原化学计量框架

《Agricultural Systems》：Coupled carbon-nitrogen-phosphorus cycling in rice-rapeseed rotations: A redox-stoichiometric framework for climate-smart nutrient synchronization

　　

• 水稻-油菜轮作是一种氧化还原驱动的C-N-P系统。
• 季节性养分同步是气候智慧型表现的基础。
• 秸秆碳和氮的周转以及磷的活化共同调节系统效果。
• 减少10–30%的氮肥和磷肥投入使径流损失降低最多达58.1%（氮）和59.7%（磷），且未导致产量损失。
• 亚洲地区的轮作提供了最强的直接证据；需要更广泛的验证。

**引言**

全球农业面临气候不稳定性、土地退化、资源枯竭和环境污染等叠加压力，这些压力威胁着耕作系统的生产力和可持续性。现代农业造成温室气体排放增加、养分过剩、用水过量、土壤退化和生物多样性丧失，而气候变化预计将通过降低产量稳定性和增加农业生态系统脆弱性进一步加剧这些压力（IPCC, 2019；Yang等, 2024）。因此，当前的挑战已不再仅仅是增加产量，而是重新设计农业生态系统以同时提高生产力、资源利用效率和环境可持续性。在此背景下，气候智慧型农业（CSA）为将生产与适应和减缓目标相结合提供了一个重要框架。CSA强调三个相互关联的目标：维持生产力、增强韧性，并在可能的情况下减少温室气体排放（Lipper等, 2014）。然而，在集约化耕作系统中，向这些目标迈进往往受到养分管理方法的限制——这些方法将C、N和P视为独立的投入要素，而非单一生物地球化学系统中相互作用的部分（Pe?uelas等, 2013）。这种割裂可能掩盖C、N和P如何相互作用以调节土壤有机碳稳定化、微生物处理、养分有效性和环境损失（Tang等, 2025）。

从机制上看，农业生态系统绩效不仅取决于养分供给，还取决于C、N和P转化在秸秆分解、微生物固持、矿物转化和植物吸收之间的同步性（Manzoni等, 2010）。近期研究表明，C-N-P相互作用通过化学计量控制、氧化还原介导的反馈以及矿物-有机质关联来调节养分有效性、微生物代谢和土壤有机质形成（Husson, 2013；Philippot等, 2024；Zhang等, 2025b）。这些相互作用在水田-旱地轮作中尤为重要，因为淹水与排水条件之间的转换会反复改变土壤氧化还原电位、底物可用性、矿物反应性和微生物过程（Wei等, 2022）。因此，水稻-油菜轮作为研究水文条件和秸秆投入变化如何在季节尺度上调节C-N-P耦合提供了一个有用的系统。

田间证据说明了这些管理效果的幅度和环境依赖性。在中国中部三个站点和两年水稻-油菜轮作试验中，与仅施磷钾肥（PK，即缺氮处理）相比，平衡施用NPK化肥使水稻产量提高19–41%，油菜产量提高61–76%（Yousaf等, 2017）。在一项为期三年的独立实验中，在前茬冬季作物使用油菜而非小麦或休耕的情况下，未施肥条件下后续水稻产量提高14.5–20.5%，缺氮条件下提高14.9–16.2%；与小麦-水稻轮作相比，油菜-水稻轮作中固氮供应量高出22.0%，固磷供应量高出21.9%（Fang等, 2021）。长期轮作对土壤碳的影响也很明显：经过10年，水稻-油菜轮作的土壤有机碳比水稻-小麦轮作高12.7%（Liu等, 2021），而一项独立的5年实验报告在相似施肥处理下，油菜-水稻轮作的土壤有机碳储量比小麦-水稻轮作高7.7–14.3%（Zhang等, 2024）。管理效果不仅限于养分投入。在一项基于DSSAT的水稻-油菜分析中，减少水稻灌溉40%可使水生产率提高46.7%，生产成本降低27%；而将油菜氮肥供应量增加30%则使油菜产量提高9%，但氮肥利用率仅提高1.4%，说明水、产量和养分效率指标之间的响应存在差异（Shamgani-Mashhadi等, 2024）。由于这是一篇叙述性综述，定量效应量被视为特定研究的估计值而非合并效应；全文使用的已验证定量数据汇总于补充表S1。

尽管取得了这些进展，文献仍显碎片化，因为碳固存、氮损失和磷有效性通常仍被孤立评估，即使它们在机制上通过秸秆化学计量比、微生物反馈和氧化还原敏感的土壤过程相互关联（Philippot等, 2024；Zhang等, 2025b）。现有的综合研究大多分别处理稻田C-N-P循环、养分管理或气候智慧型成果，而非专门关注水稻-油菜轮作中耦合的C-N-P循环。因此，本综述综合了当前对水稻-油菜轮作系统中C-N-P耦合的理解。该综述探讨了这种耦合如何有助于CSA的三大支柱：生产力、适应和减缓。除综合元素特异性过程外，本综述采用系统视角，将区域农作多样性、生物地球化学耦合、气候智慧型农业目标和管理权衡纳入单一概念框架。它还借鉴了区域系统配置、养分动态、方法工具和管理策略的补充性比较综合，以支持更清晰的跨区域解读。通过将水稻-油菜轮作视为生物地球化学整合系统，本综述旨在阐明在气候脆弱的农业生态系统中，养分同步、土壤碳稳定化和低排放集约化可能同时得到支持的条件。

与以往主要分别处理C-N-P、管理或气候智慧型成果的综述不同，本综述推进了一种以季节性养分同步为核心的整合性氧化还原-化学计量视角。具体而言，本综述论证水稻-油菜系统的气候智慧型表现取决于秸秆来源的碳输入、氮释放和磷活化是否在交替淹水与排水阶段的作物需求时间窗口内汇聚。此外，本综述采用基于证据权重的比较视角，区分了具有强直接田间证据支持的地区和仍以类比或涌现式解读为主的地区。这一框架使综述能够超越描述性层面，更清晰地解释C-N-P耦合在哪些方面已被充分理解、哪些方面的不确定性最大，以及管理措施如何更有效地同时针对生产力、适应和减缓目标。图1展示了本综述的概念框架，说明了水稻-油菜轮作中整合的C-N-P耦合如何将复合农业压力与养分同步及气候智慧型农业成果联系起来。

**全局分布与系统多样性**

水稻-油菜轮作系统在各农业生态区域的分布不均衡，直接实证证据也不均衡。这种轮作最成熟的形式出现在亚洲，特别是中国长江流域，暖季水稻之后接冬季油菜，在同一年的耕作周期内完成（Huang等, 2023）。在亚洲以外，水稻与油菜/油葵的生产通常地理分离，或由局部类似生产系统代表。

**水稻-油菜系统中的C-N-P循环**

淹水稻作阶段以还原条件为主，排水旱地阶段以好氧条件为主，反复的氧化还原转换持续改变水田-旱地轮作的生物地球化学环境。这些氧化还原振荡改变底物可用性、微生物群落结构和功能以及氧化还原敏感矿物的反应性，从而影响耦合的C、N和P转化（K?gel-Knabner等, 2010）。因此，每种元素的转化都……

**C-N-P耦合在气候智慧型农业中的作用**

从CSA的角度看，耦合的C-N-P循环的重要性在于它影响着季节性投入转化为产量的效率、有多少肥力保留在土壤中，以及有多少以活性气体或可移动养分的形式流失。耦合的养分循环可以视为管理影响CSA的生产力、适应和减缓维度的一个生物地球化学机制（Lipper等, 2014）。

从生产力角度看，有效的C-N-P……

**优化C-N-P耦合的管理途径**

如果耦合的C-N-P循环是水稻-油菜系统气候智慧型表现的基础，那么管理不仅必须调节养分数量，还必须调节养分同步性。有效的策略因此依赖于在淹水稻作阶段和好氧油菜阶段之间协调秸秆管理、耕作、水分控制和肥料来源、用量、时机和位置，而不是将这些视为独立的农作操作（Fixen, 2020；Cao等, 2025）。主要管理措施包括……

**技术与建模工具的进展**

分析工具的进步为将水稻-油菜系统C-N-P耦合研究从静态养分核算转向过程归因和管理相关诊断提供了一条途径。随机鸟枪法宏基因组学可以解析微生物功能基因库并重建与C、N和P转化相关的基因组；尽管该方法是在大豆-玉米黑土系统中而非水稻-油菜轮作中验证的，但这种方法揭示了耕作诱导的多重变化……

**知识空白与研究挑战**

尽管分析技术取得了进展，但对水稻-油菜系统中耦合C-N-P动态的理解仍受限于经验、机制和实施方面的空白。在经验方面，跨越不同农业生态条件的长期多养分试验仍然有限。在中温带、暖温带和亚热带气候区的12个长期施肥试验中，土壤和酶的C:N:P关系因气候和施肥制度而异，差异显著……

**未来研究优先事项**

未来研究应优先考虑三个需求。第一，需要长期多地点试验来确定耦合的C、N和P动态如何响应水稻-油菜系统中不同的水文、土壤和管理条件，减少从少数重点研究站点外推的依赖。第二，土-植-微研究应更直接地关注控制交替淹水与好氧阶段之间养分同步的机制……

**结论**

本综述表明，水稻-油菜系统的长期可持续性不仅取决于管理单一的C、N和P库，还取决于它们的转化在交替的淹水稻作阶段和好氧油菜阶段之间的时序协调。季节性氧化还原条件变化调节秸秆分解、微生物活性、矿物相互作用、养分有效性和损失途径，使养分同步成为一个解释性的有用组织原则……

**数据与材料可用性**

本研究未创建或分析数据。本综述讨论的所有信息均可在引用的文献中找到，在适用情况下也可在补充材料中找到。

**CRediT作者贡献声明**

Burhan Khalid：写作—审阅与编辑，写作—原始草稿，形式分析，概念化。Muhammad Ikram：可视化，验证，概念化。Muhammad Wassay：写作—审阅与编辑，写作—原始草稿，软件，概念化。Muhammad Atiq Ashraf：验证，软件，形式分析，概念化。Chunyun Wang：写作—审阅与编辑，验证，概念化。Muhammad Waqas：写作—审阅与编辑，可视化，验证。Ahmad Maqbool：……

**出版同意**

不适用

**伦理审批与参与同意**

不适用

**资金支持**

本研究由中国国家重点研发计划（2024YFD2300300）、"农业废弃物资源化利用技术开发生态"作物-畜牧一体化系统中的沼液资源化利用技术开发、国家种猪技术创新中心（NCTIP-XDB18）试点科技项目以及中央高校基础研究基金（2662024ZKQD005, 2662025ZKPY011）资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述工作。

Burhan Khalid | Muhammad Ikram | Muhammad Wassay | Muhammad Atiq Ashraf | Chunyun Wang | Muhammad Waqas | Ahmad Maqbool | Jie Kuai | Zhenghua Xu | Jing Wang | Bo Wang | Jie Zhao | Guangsheng Zhou