豆科前作作物可提升后续谷物产量并降低气候影响

《Agronomy Journal》：Legume pre-crops can improve following cereal yields and reduce climate impact

　　

豆科作物作为多样化策略日益受到推崇，以缓解低多样性种植系统中的外部性问题。将豆科作物纳入轮作可提升后续作物的农艺表现并减少外部投入，从而可能提高当前农业系统的可持续性。本研究旨在：（i）比较豆科与禾谷类前作对后续谷类作物产量和品质的影响；（ii）评估含豆科与不含豆科轮作的环境影响。研究人员于2023年至2025年间，在常规与有机管理条件下开展田间试验，比较豆科作物（春蚕豆[Vicia faba L.]、春豌豆[Pisum sativum L.]和菜豆[Phaseolus vulgaris L.]）与禾谷类作物（春小麦[Triticum aestivum L.]、春大麦[Hordeum vulgare L.]和春硬粒小麦[Triticum durum D.]）作为春大麦、春小麦和冬大麦前作的效果。在常规管理条件下，豆科前作后谷类作物产量显著增加，2024年增幅为17%–34%，2025年为24%–54%。同时，即使减少肥料投入，后续作物的总氮吸收量仍然更高。在有机管理条件下未观察到前作效应。生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）显示，在常规管理条件下，将豆科作物引入以谷类为基础的轮作中，2年轮作期内每公顷气候影响降低9%–42%，每千克产品气候影响降低11%–38%，而在有机条件下则无此效应。需要进一步研究潜在的农艺和生态机制，以更好地理解豆科前作效应及其对轮作系统可持续性的影响。

论文解读：豆科前作作物对后续谷物产量及轮作系统气候影响的多维度评估

一、研究背景与意义

在西欧，谷类作物和玉米主导着种植系统，约占耕地面积的60%，导致轮作周期短、作物多样性有限。这种低多样性种植系统固有地存在病虫害压力增加、土壤压实与退化以及对外源氮（N）投入高度依赖等问题。作物多样化被视为缓解这些负外部性的关键策略，也是欧盟绿色协议框架下“Farm to Fork战略”和“蛋白质转型”等倡议的核心内容。豆科作物因其能与固氮细菌共生而满足自身氮需求，减少外部投入并降低环境影响，同时作为开花作物为传粉昆虫提供栖息地，还能通过富含氮的残体改善土壤质量并提升后续作物表现，因而成为作物多样化的重要选择。然而，在佛兰德斯（Flanders）这一以集约化管理、较高氮投入和温带海洋性气候为特征的高产种植系统中，豆科前作效益的幅度可能不同于低投入生产系统，相关研究信息较为缺乏。此外，验证可持续性主张需要可靠的定量工具，生命周期评价（LCA）正是评估农业生产系统潜在环境影响的有力方法。因此，本研究旨在比较三种豆科与三种禾谷类前作对后续谷类作物产量和品质的影响，并评估含豆科与不含豆科轮作的环境影响。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员于2023年至2025年间在比利时两个试验点开展田间试验：常规管理站点位于梅勒尔贝克（Merelbeke，50°59′ N, 3°46′ E），有机管理站点位于汉斯贝克（Hansbeke，51°4′ N, 3°31′ E）。试验采用随机区组设计，每站点设置3个区组，2023年和2024年种植六种前作作物（三种豆科：春蚕豆、春豌豆和红菜豆；三种禾谷类：春大麦、春小麦和春硬粒小麦），随后评估其对2024年春大麦和春小麦以及2025年冬大麦（仅常规站点）的影响。产量和品质数据通过收获时采集植株样本、测定籽粒和秸秆产量及氮含量获得。环境影响评估采用ILVO开发的Klimrek工具进行生命周期评价，系统边界为从摇篮到农场大门，功能单位定义为1 kg收获产品（鲜重）或1公顷耕地2年轮作期。统计分析方法包括线性模型和线性混合模型，使用R软件中的stats和lme4包进行分析。

三、研究结果

3.1 产量与干物质生产

在2024年常规管理站点，三种豆科前作均使后续谷类作物产量显著增加，大麦和小麦产量分别平均增加1.52±0.21和1.37±0.19吨/公顷，增幅为16.9%–33.8%。蚕豆前作效果最强，豌豆次之，菜豆最小。值得注意的是，这些增产效应是在豆科前作后谷类作物通常获得较少氮肥的情况下实现的。在2025年常规站点，冬大麦在连续谷类轮作（CCC）中的产量显著低于含豆科轮作（LCC或CLC），含豆科轮作使产量增加23.5%–53.4%。然而，在2024年有机管理站点未检测到显著的前作效应。多地点多年分析表明，蚕豆前作使后续谷物产量增幅最大，其次是豌豆和菜豆，所有豆科前作均相对于禾谷类前作提高了后续谷物产量。

3.2 植株氮含量

2024年，前作物种在两个站点均未显著影响大麦或小麦的籽粒氮含量。但在2025年，连续谷类轮作（CCC）中冬大麦的籽粒氮含量显著高于含豆科轮作（LCC或CLC），差异平均为0.63 g N kg^-1干物质，这可能归因于氮在更高籽粒生物量中的稀释效应。总氮吸收方面，2024年常规站点中蚕豆和豌豆前作后的大麦和小麦总氮吸收量最高，禾谷类前作后最低；有机站点各前作处理间无显著差异。2025年常规站点差异最为显著，连续谷类（CCC）、前作谷类（LCC）和前作豆科（CLC）处理后冬大麦收获时从田间带走的氮量分别为151、190和209 kg N ha^-1。

3.3 生命周期评价

在常规站点，按产品计的气候影响在豆科前作后显著降低，2024年每千克鲜重籽粒的CO₂-eq排放量从谷类前作的0.155–0.162 kg降至豆科前作的0.100–0.138 kg，平均降低0.044 kg。2025年，豆科前作（CLC）相比连续谷类（CCC）和前作谷类（LCC）分别使气候影响降低0.029和0.006 kg CO₂-eq kg^-1鲜重籽粒。按面积计的2年轮作气候影响在常规站点同样呈降低趋势，谷类轮作范围为1522–1873 kg CO₂-eq ha^-1（2023–2024）和1570–1889 kg CO₂-eq ha^-1（2024–2025），引入豆科后分别降低约11%–42%和16%–36%。3年轮作评估显示，CCC、LCC和CLC轮作的平均气候影响分别为2623、2024和2156 kg CO₂-eq ha^-1，即引入豆科使3年期气候影响平均减少533 kg CO₂-eq ha^-1。田间排放和肥料生产是气候影响的主要贡献者，占83.5%–91.4%。然而，在有机站点未观察到此类差异。其他环境影响类别方面，豆科引入可降低酸化潜势和陆地富营养化潜势（豌豆轮作除外，因其种子生产环境影响较高），但海洋富营养化潜势与谷类轮作相当或更高，淡水富营养化潜势则因磷淋失较高而持续高于谷类轮作。

四、讨论与结论

研究人员指出，豆科前作效应在常规管理下显著而在有机管理下缺失，可能受土壤条件、管理方式、前茬作物历史及有机站点较低的作物建立质量等因素综合影响。豆科前作效益的机制可能包括氮有效性提高、土壤微生物组改变、病虫害压力降低以及土壤结构改善等，但仅靠残体矿化提供的氮难以完全解释观察到的差异。LCA结果表明，豆科引入降低气候影响的主要驱动因素是矿物氮肥需求减少以及豆科后谷物产量提高。然而，当前LCA方法存在局限，如未纳入土壤有机碳变化的影响，且仅评估了2年轮作周期。研究人员强调，需要在更长周期和更多样化的轮作体系中进一步验证这些发现，并深入研究豆科前作效应的潜在机制。总体而言，本研究证明豆科前作作物在常规管理条件下能显著提升谷类作物产量和氮吸收，并降低轮作系统的气候影响，支持了豆科作物在种植系统中更广泛的推广应用。