《International Journal of Agricultural Sustainability》：Conservation agriculture enhances productivity, nutrient use efficiency, and environmental sustainability in rice–maize rotations
编辑推荐：
保护性农业（CA）强调最小土壤扰动、秸秆还田和多样化轮作，可提升可持续性，但因小农户对养分利用效率（NUE）的不确定性而面临采纳障碍。研究人员通过为期3年的田间研究，在多个农业生态区（AEZ）评估了保护性农业（条带耕作、30%秸秆还田）与传统农业（TA；常规耕
保护性农业（CA）强调最小土壤扰动、秸秆还田和多样化轮作，可提升可持续性，但因小农户对养分利用效率（NUE）的不确定性而面临采纳障碍。研究人员通过为期3年的田间研究，在多个农业生态区（AEZ）评估了保护性农业（条带耕作、30%秸秆还田）与传统农业（TA；常规耕作、无秸秆还田）下稻–玉米轮作的NUE和温室气体（GHG）排放。两种体系均施用全量NPKZn肥料及单养分省略处理。GHG排放采用气候变化、农业与粮食安全减排选项工具（CCAFS-MOT）测定。保护性农业下玉米和水稻籽粒产量持续较传统农业约高5%，且耕作×肥料互作不显著。由于还田秸秆释放养分，保护性农业下偏生产力（PFP）提高，而养分农学效率（AEn）保持不变。保护性农业使玉米总全球增温潜势（GWP）降低20%、水稻降低26%，排放强度（EI）分别降低26%和30%，主要通过增加碳固存、减少柴油使用和提高产量实现。本研究表明，现有肥料推荐在保护性农业下仍然适用，而秸秆还田可提供额外养分，为提升生产力并促进小农户采纳保护性农业提供了一种简单、经济的策略。
研究背景：气候变化及相关的气候、生物、土壤和人为胁迫正日益通过降低作物生长、生产力和收获品质威胁全球粮食与营养安全，亟需发展气候智慧型农业系统。孟加拉国人口密集且未来人口预计持续增长，而耕地几无水平扩张空间，当前土地利用已高度集约化，大多数耕地每年种植两至三季作物，导致土壤肥力下降和土壤有机质耗竭。因此，需要探索保护性农业（CA）等可持续土壤管理措施并研究其在农户层面的适应性。保护性农业由少耕或免耕、通过秸秆还田维持土壤覆盖以及采用作物轮作组成，其在大型农场（如美国和澳大利亚）的采纳较热带小农户更为成功，尽管包括亚洲和孟加拉国在内的许多国家已给予激励，但采纳率仍然较低。关于保护性耕作对养分利用效率（NUE）的影响似乎较差，而秸秆还田通常与NUE改善相关，但站点特异性特征具有重要影响。稻–玉米种植体系是孟加拉国新兴体系，2023–2024年占地51.4万公顷，因需水量较低且与饲料工业需求增长相关的利润潜力较高而取代传统稻–稻体系。然而，关于保护性农业对孟加拉国稻–玉米生产体系作物生产力、NUE和GHG排放综合影响的长期试验证据仍然匮乏，尤其是在对比鲜明的农业生态条件下。为此，研究人员开展了为期3年的田间研究，评估由稻–玉米轮作结合条带耕作和30%秸秆还田组成的保护性农业，并与传统农业（TA）体系进行比较，两者均接受相同的养分管理以直接比较耕作和秸秆还田的效果。研究目标为：（i）从作物生产力和投入利用效率方面评估保护性农业的可行性；（ii）评估保护性农业对GHG排放的影响及其在孟加拉国两个对比鲜明农业生态区降低GWP的潜力；（iii）通过更好地理解当地条件下的保护性农业实践来提高种植体系的生产力和可持续性。
关键技术方法：研究于2011–2014年在孟加拉国农业研究所（BARI）位于Jamalpur（24.9°N, 89.9°E，Old Brahmaputra洪积平原，AEZ-9）和Barishal（22.7°N, 90.3°E，Ganges潮汐洪积平原，AEZ-13）的两个区域研究站开展，历时3年（2011–2012至2013–2014），玉米于11月至4月种植，水稻于6月至10月种植。试验采用裂区设计，主区为两种耕作方式：常规耕作（CT）和条带耕作（ST），副区为5个肥料处理：NPKZn施用及省略N、省略P、省略K和省略Zn，各处理重复4次。ST处理结合约30%玉米或水稻秸秆还田。采用养分省略小区技术（NOPT）估算站点特异性养分需求。通过Equation（1）计算籽粒产量反应（GYRn），Equation（2）计算农学效率（AEn），Equation（3）计算偏生产力（PFPn）。采用CCAFS-MOT估算GHG排放，该工具整合多元经验模型（MEM）、FAO/IFA模型、IPCC Tier-1排放因子、Eco-invent数据库及IPCC指南等。采用100年全球增温潜势（CH?为34，N?O为298）将GHG转换为CO?当量计算总GWP（Equation 4），排放强度（EI）为GWP除以籽粒产量。采用方差分析（ANOVA）检验耕作、肥料和年份效应，采用Tukey诚实显著差异（HSD）检验在p ≤ 0.05水平进行均值分离。
研究结果：
3.1 籽粒产量：在Barishal，玉米平均产量7.72 t ha?1，条带耕作显著高于常规耕作（7.94 vs 7.51 t ha?1），+NPKZn处理产量最高（9.83 t ha?1），?N处理最低（3.86 t ha?1），年份间差异显著且肥料×年份互作显著。在Jamalpur，玉米产量略高，平均8.57 t ha?1，条带耕作显著高于常规耕作（8.76 vs 8.39 t ha?1），+NPKZn处理最高（10.93 t ha?1），?N最低（4.47 t ha?1）。水稻在Barishal平均3.98 t ha?1，ST显著高于CT（4.10 vs 3.87 t ha?1），+NPK+Zn最高（4.61 t ha?1）；在Jamalpur平均5.19 t ha?1，ST显著高于CT（5.28 vs 5.11 t ha?1），+NPK+Zn最高（5.85 t ha?1），?Zn处理与之统计相似，表明Jamalpur省略Zn未导致显著减产。总体而言，Jamalpur产量持续高于Barishal。
3.2 籽粒产量反应：玉米产量反应在肥料处理间差异显著，氮素在两种耕作下反应最高（Barishal为4,795–6,798 kg ha?1，Jamalpur为5,643–7,049 kg ha?1），锌反应最低（多数站点–年份组合<1,200 kg ha?1），耕作及耕作×肥料效应不显著。水稻趋势类似，氮素反应最高（Barishal为1,498–1,959 kg ha?1，Jamalpur为1,050–1,892 kg ha?1），锌最低（多数<500 kg ha?1），肥料效应显著而耕作效应大多不显著。总体而言，玉米和水稻的产量反应主要由养分管理而非耕作方式驱动。
3.3 农学效率：玉米中N的AEn在Barishal为24–34 kg kg?1 N、Jamalpur为23–28 kg kg?1 N，磷的AEn较高（46–69 kg kg?1 P和47–64 kg kg?1 P），钾最低（8–18 kg kg?1 K），锌显著最高（条带耕作下Barishal达195 kg kg?1 Zn、Jamalpur达237 kg kg?1 Zn）。水稻AEn总体低于玉米，N为14–20 kg kg?1 N（Barishal）和11–19 kg kg?1 N（Jamalpur），磷为18–50 kg kg?1 P，钾为4–14 kg kg?1 K，锌为45–97 kg kg?1 Zn。总体而言，所有养分农学效率玉米高于水稻，锌效率最高、钾最低，变异主要由养分类型而非耕作方式驱动。
3.4 偏生产力：玉米中PFP-N、PFP-P和PFP-K在Barishal较高，PFP-Zn在Jamalpur较高；水稻中所有PFP在Jamalpur较高。两种作物和站点中，PFP在+NPK+Zn处理最高，其次为+NPK?Zn，?N最低；条带耕作一般高于常规耕作。
3.5 总全球增温潜势：两站点玉米GWPtot在肥料处理、耕作和年份间差异显著。玉米GWPtot在+NPK+Zn处理最高（Barishal和Jamalpur分别为2,086和2,380 kgCO? ha?1），?N最低（986和1,152 kgCO? ha?1）；CT下平均为1,880和2,180 kgCO? ha?1，ST下为1,498和1,767 kgCO? ha?1。水稻GWPtot平均2,536 kgCO? ha?1，较玉米高38%；Barishal平均2,058 kgCO? ha?1，Jamalpur平均3,015 kgCO? ha?1；Barishal中耕作效应最大（CT 2,381 vs ST 1,734 kgCO? ha?1），Jamalpur中仅耕作显著影响（CT 3,438 vs ST 2,592 kgCO? ha?1）。
3.6 排放强度：玉米EI在Barishal和Jamalpur平均分别为0.23和0.24 kgCO? kgYield?1，?N处理下CT最高（两站点均为0.32 kgCO? kgYield?1），ST下最低。水稻EI约为玉米的150%，Barishal范围为0.37–0.88 kgCO? kgYield?1，Jamalpur为0.48–0.80 kgCO? kgYield?1；两站点耕作方式对水稻EI影响最大，CT下平均为0.65和0.70 kgCO? kgYield?1，ST下为0.42和0.51 kgCO? kgYield?1。
讨论部分总结：保护性农业以少耕或免耕、维持土壤覆盖和作物轮作为主要组成部分，因多重效益（尤其改善土壤性质）而受推广，但实践中并非所有组成部分均被实施。本试验聚焦于减耕结合秸秆还田的效果，作物轮作限于玉米和水稻。4.1 保护性农业提高籽粒产量：两站点两作物在+NPK+Zn处理下ST较CT产量约高5%，与已有荟萃分析结果一致。水稻ST较全面泡水土壤平均增产11%，主要归因于有效分蘖数增加，50%秸秆还田使水稻增产5%。玉米ST较CT增产与单位面积穗数增加有关，秸秆还田导致每穗粒数增加。ST在玉米中的优势之一是干旱易发区保持土壤水分，但本试验中玉米灌溉以避免水分亏缺的混杂效应，ST的效益可能未完全实现。Jamalpur玉米产量较高可归因于推荐施肥量较高，水稻推荐施肥量两站点相同但Jamalpur产量较高，可能与玉米季较高施肥量导致水稻季开始时土壤残留养分状况较高有关。秸秆还田和减耕通过保持土壤水分持续提高稻麦产量，是提高农场层面生产力的简单途径。4.2 保护性农业中的养分利用效率：减耕和秸秆还田可影响土壤养分状况，CA已被证明可增加土壤有机质、降低容重、减少径流和淋溶养分损失并增加作物养分有效性。采用NOPT检测替代耕作和秸秆管理的有益效应。产量方面未观察到耕作与肥料处理的显著互作，各养分籽粒产量反应（GYR）在耕作处理间无差异。尽管ST处理在所有肥料处理下产量显著较高，但秸秆提供的额外养分并未显著改变养分省略处理的产量反应。各养分AEn在耕作处理间无差异，ST对N、P、K和Zn的AEn无影响。有观点认为，对于导致产量差异的种植方式比较，PFP是比AEn更合适的NUE指标。本试验中ST处理PFP显著高于CT，且所有养分在两作物两站点ST数值均较高。PFP已被证明随秸秆还田而增加，因秸秆提高土壤养分含量和有效性。由于本试验ST处理从田间留存秸秆获得额外养分，ST较高的产量可能导致了较高的PFP，而PFP计算仅考虑矿质肥料投入。鉴于GYR和AEn在ST与CT间无显著差异，研究人员认为无需调整Barishal和Jamalpur保护性农业下玉米和水稻的肥料推荐。此外，产量和PFP结果表明，即使施用推荐施肥量，两站点两作物均从ST的额外养分中获益。因此建议，与其调整矿质肥料用量，不如将秸秆还田越来越多地用作作物管理工具，因为这是增加产量的一种简单且经济的途径。秸秆还田提高NUE（较高PFP）而不增加肥料投入或需要调整施肥实践，为农民提供了一种经济有效且易于采纳的管理实践。4.3 全球增温潜势与保护性农业：GWP估算考虑的因素中，肥料生产能耗和土壤N排放各贡献玉米GWP约50%，而水稻CH?排放平均约占GHG排放的70%，肥料生产和土壤N排放均为GWP的第二重要贡献因素。此外，泡水和耕作柴油消耗及灌溉用电也纳入GWP计算。ST处理中碳固存与秸秆还田相关。ST处理GWP较CT玉米约低20%、水稻约低26%。玉米两种耕作处理的差异按重要性降序依次源于土壤碳固存、减耕相关柴油消耗降低、土壤N排放降低（与秸秆覆盖效应相关）以及因灌溉需水量略低而降低的电力消耗。水稻ST处理估计N?O排放较高，而CH?排放略低于CT，归因于ST处理渗透较高因而土壤条件更为好氧；但耕作处理间GWP差异主要源于ST的碳固存，柴油消耗降低效应较小但仍重要。较高碳固存可能源于ST的两个处理组分，而秸秆还田效应可能大于条带耕作。农业总GWP可通过增强碳固存和减少机械使用降低，但GHG减排幅度很大程度上取决于所用实践及气候和土壤质地。本试验中两站点玉米和水稻GWP存在差异：玉米Jamalpur GWP较Barishal高17%，归因于较高肥料投入和略高N排放；水稻两站点肥料投入相同，但Jamalpur较高降水导致GWP几乎高50%，与CH?排放高得多有关。水稻两站点GWP差异被产量差异抵消，导致两站点EI相似；玉米则不然，较高GWP也导致Jamalpur EI高11%。由于ST处理产量较高，耕作处理间EI差异甚至大于GWP差异。平均而言，ST使玉米EI降低26%、水稻降低30%。保护性农业GWP低于常规农业已有多次报道，但绝对值比较仍困难，因GWP和EI随作物或种植体系、管理和地点变化很大。尽管CA在产量和养分利用方面的效益中等，但在维持足够产量的同时降低GWP和EI是该体系优势的明确体现。这一发现对孟加拉国CA研究作出重要贡献：虽然CA因改善土壤健康和作物生产力而广受认可，但证明这些效益可在不修改现有肥料推荐的情况下实现的试验证据有限。结果表明，当前站点特异性肥料推荐在CA下仍然适当，而秸秆还田和减耕改善NUE和生产力，为研究人员、推广服务和政策制定者提供了实用指导，表明CA可在不引入更复杂或昂贵肥料管理策略的情况下推广。
研究结论翻译：本研究旨在评估保护性农业（条带耕作结合30%秸秆还田）对孟加拉国稻–玉米体系生产力、养分利用效率和环境可持续性的影响。保护性农业使各作物各站点籽粒产量提高5%，但各养分产量反应和农学效率在保护性农业与常规耕作间无显著差异，表明当前肥料推荐在保护性农业下仍然适用。然而，保护性农业下较高的偏生产力揭示了养分利用效率的改善。尽管产量增益合理，保护性农业表现出显著环境优势，全球增温潜势降低20%–26%，排放强度降低26%–30%。这些效益主要由秸秆还田的碳固存和减少燃料使用驱动，而非降低肥料投入。特别是，全球增温潜势和排放强度的站点特异性变异凸显了当地气候和土壤对保护性农业表现的影响。总体而言，保护性农业中的秸秆还田和减耕提供了一种低成本、气候智慧型的常规耕作替代方案，既不损害产量也不需改变肥料推荐，为小农户提供了可及的切入点。这些发现支持通过推广服务、秸秆管理激励和气候智慧型农业项目促进保护性农业的政策干预。然而，保护性农业表现受当地土壤和气候条件影响，凸显了站点特异性推荐和适应性管理的必要性。在区域层面，保护性农业可改善南亚稻–玉米体系的可持续性；在全球层面，有助于减少农业碳足迹、提高资源利用效率并推进有韧性和可持续的粮食系统，以支持气候缓解和粮食安全目标。
