综述：谷物生产中的再生农艺实践：对土壤健康、病害管理、水分利用效率和产量稳定性的影响

《Agriculture》：Regenerative Agronomic Practices in Cereal Production: Implications for Soil Health, Disease Management, Water-Use Efficiency, and Yield Stability

　　

谷物生产日益受到土壤退化、水资源短缺、气候变异性以及不断上升的病害和杂草压力的制约。本综述综合了关于再生农艺实践在谷物生产中作用的现有知识，特别强调了土壤健康、植物病害管理、水分利用效率和产量稳定性。现有证据一致表明，最大的效益并非来自单一实践，而是来自综合系统，该结合了减少耕作、作物残体保留、包括豆科植物在内的多样化轮作、覆盖作物、有机施肥和基于生物学的有害生物管理。这些实践可以通过富集功能有益的微生物群落，并通过资源与生态位竞争、抗生作用、重寄生作用以及诱导植物抗性来限制病原体，从而增加土壤生物活性及其限制病害的能力。它们还可以改善土壤结构、水分入渗、水分保持以及作物对干旱胁迫的恢复力，并在特定条件下减少侵蚀、养分损失和产量变异性。然而，再生实践的效果强烈依赖于土壤类型、气候、氮平衡、有害生物压力以及再生实践的采用程度。在过渡期可能出现风险，包括产量下降、氮固持、杂草侵扰和病害压力增加。对这些系统的评估不仅应涵盖产量，还应包括谷物质量和植物检疫状况、整个土壤剖面的土壤有机碳储量、N₂O排放量以及生产盈利能力。本综述涵盖了来自温带、湿润、干旱和半干旱地区的谷物系统，并考虑了气候、土壤质量、水资源可用性和农艺实践来解读结果，因为同一实践在不同农业生态区可能产生不同效果。进一步研究应优先开展跨多种农业生态环境的长期、多因素试验，综合农艺表现、环境可持续性和作物品质。

1. 引言
当前农业面临威胁全球粮食安全的空前挑战，而不断增长的人口要求在未来几十年大幅提高农业生产力。气候变化、自然资源退化、生物多样性丧失以及水质下降进一步加剧了这一挑战。再生农业（RA）作为一种整体性农作方法，旨在恢复农业生态系统健康、逆转土壤退化、增强生物多样性并提高农场盈利能力，同时维持农业生产力。其核心原则包括最小化土壤扰动、保持持续土壤覆盖和活根、多样化种植系统，以及适当整合畜牧业。这些实践共同改善土壤物理、化学和生物学特性，减少侵蚀，增强水分入渗，稳定产量，并提高农业生态系统对生物和非生物胁迫的恢复力。谷物生产是全球粮食安全的基础，但其生产力受土壤质量、水分可用性、温度、养分循环和生物胁迫的强烈影响。气候变暖、降水不稳定和干旱频发对谷物物候、灌浆期长度和产量稳定性产生显著影响。再生农业（RA）的实施需要根据当地气候条件选择适应性措施，例如土壤覆盖和残体保留可减少蒸发和侵蚀，减少耕作强度可增加入渗，多样化轮作和品种选择可降低生产风险。土壤退化是农业生产力、环境可持续性和全球粮食安全的主要制约因素之一，改善土壤质量成为维持长期作物生产力的关键。然而，实施新实践面临经济挑战和障碍，农民对再生实践（RA）的效益感知复杂，其采用受文化、政治和社会因素影响。在谷物生产中，再生实践（RA）潜力巨大，但效果取决于土壤类型、气候、水分可用性、杂草压力、氮平衡、种子质量和前茬作物质量。本综述旨在综合再生实践（RA）在谷物生产中的重要性，特别关注土壤性质、水分管理、减少耕作、作物轮作、生物活性、植物保护、谷物产量和品质。文献检索于2026年6月初在Web of Science核心合集、Scopus和Google Scholar数据库中进行，主要纳入包含田间试验、多年试验、荟萃分析和系统综述的论文。

2. 再生农业的原则
再生农业（RA）由Robert Rodale在20世纪80年代初推广，现已演变为一个基于科学、以原则为导向的框架，强调可测量的土壤健康、生态系统功能和恢复力改善。RA缺乏普遍接受的定义，但通常被视为一种整体性农作方法，旨在恢复和增强农业生态系统的生物、物理和生态功能，同时维持农业生产力。当代文献区分了基于实践的框架和基于结果的框架。RA的核心原则包括最小化土壤扰动，以保护土壤结构、维持土壤碳储量、改善水分入渗和支持生物活动。保持持续土壤覆盖（如作物残体、覆盖作物或活体覆盖物）可保护土壤表面免受侵蚀，缓冲温度波动，减少蒸发，抑制杂草，并持续提供有机输入以刺激微生物活动。维持全年活根是另一原则，活根持续供应富含碳的根际分泌物，维持根际微生物，刺激养分循环，促进土壤团聚体形成，并贡献土壤有机碳积累。增加植物多样性，包括作物轮作、间作、多物种覆盖作物和农林复合，可增强地上和地下生物多样性及生态相互作用。整合畜牧业为许多再生系统（RA）的显著特征，通过粪便沉积促进养分循环，刺激植物再生，并向土壤贡献有机质。减少对外部合成投入的依赖，同时优化生态过程，是另一广泛认可的原则。土壤健康被视为RA的基础，健康土壤具有有利的物理、化学和生物学特性，支持植物生产力、养分循环、水分调节和生态系统恢复力。再生实践（RA）还促进有益的植物-微生物组相互作用，增强植物对生物胁迫（尤其是植物病害）的恢复力。RA不应被视为固定的实践集，而应被视为基于原则的管理框架，其具体实践组合取决于当地气候、土壤特性、种植系统、经济约束和农民目标。

3. 谷物种植中的再生实践
谷物中的再生实践包括秸秆和作物残体管理、减少秸秆焚烧、使用粪肥和堆肥、保护性耕作、覆盖播种、填闲作物、纳入豆科植物、多物种混合以及空间冠层多样化。这些实践的重要性源于谷物生产产生大量生物量，且通常基于简化的轮作和集约化土壤管理。当这些实践组合并聚焦于改善特定目标（如低腐殖质水平、侵蚀、入渗差、氮缺乏、杂草压力或产量不稳定）时，可实现最大影响。RA整合了保护性农业的一些实践，特别是最小化土壤扰动、永久覆盖和多样化轮作，并强调恢复土壤生物功能、生物多样性、水分调节、产量稳定性和品质、温室气体平衡以及经济可行性。腐殖质是土壤再生潜力的基本指标之一，影响土壤持水能力、团聚、养分缓冲、微生物活性和抗物理退化能力。在谷物系统中，有机质的主要来源包括秸秆、茬口、根系、作物残体、填闲作物生物量、绿肥、粪肥、堆肥和粪浆。秸秆还田可增加碳固存并减少侵蚀，但C:N比可能导致微生物在第一阶段分解中固持矿质氮。通过均匀切碎、评估C:N比和N_min含量、施用启动氮肥、分次施肥以及结合高C:N残体与豆科植物生物量或高氮有机肥，可降低秸秆还田后暂时性氮固持的风险。有机施肥补充了谷物残体的功能，提供碳、氮、磷、钾、硫和微量元素。土壤生物活性通过植物残体分解、养分矿化与固持、团聚体形成、氮磷循环、病原体保护以及根际塑造，将再生实践与谷物产量联系起来。作物轮作是再生谷物种植中最系统的工具，可中断病害循环、多样化根系系统、改变播种和收获日期、减少杂草竞争以及改善养分循环。豆科植物作为生物氮源和根际重建工具，通过固氮作用改善后续作物的氮供应。覆盖作物在主作物期后维持活根，捕获矿质氮，保护土壤免受侵蚀，提供生物量并支持微生物活性，但在干旱地区可能消耗后续作物所需的水分。作物混合增加了功能多样性，而不需要完全改变农场生产概况，可同时实现土壤保护、生物量生产、固氮、养分捕获、杂草抑制、有益昆虫支持和产量稳定。

4. 有限耕作对土壤质量和谷物产量的影响
减少耕作强度包括浅耕、减少耕作、条带耕作、直接播种和免耕。在谷物作物系统中，其重要性源于土壤同时作为根系生长介质、水库、有机质转化场所和养分缓冲器。集约耕作加速有机质矿化、破坏团聚体、增加土壤表面易蚀性并周期性破坏微生物组。减少耕作强度可限制这些过程，但其效果取决于残体保留、轮作、填闲作物和压实控制。免耕指无需事先机械整地即可播种，通常将残体留在土壤表面，技术上涉及直接播种，需要能够切开秸秆、开沟、均匀放置种子并确保种子与土壤接触的播种机。免耕的主要优势是土壤表面保护，残体减少雨滴冲击、地表径流、蒸发和温度波动。但免耕对谷物产量的影响变化较大，全球荟萃分析显示免耕平均产量比传统耕作低5.1%，但在干旱和无灌溉条件下，免耕通常达到相当或更高的产量。条带耕作是全面耕作和直接播种之间的过渡方案，仅疏松未来种子行的窄带，而行间区域保持未耕作并常覆盖残体。在谷物中，条带耕作比在玉米或油菜中更难实施，但可作为对全面免耕持谨慎态度的农场的过渡步骤。减少耕作最可靠的效果之一是减少侵蚀，改善土壤结构，提高水分入渗和保持能力。减少耕作对谷物产量的影响是水分和土壤效益与技术风险的平衡结果，在干旱年份可提高产量，在凉爽潮湿年份可能因出苗延迟、氮矿化降低或病害压力增加而减产。在过渡系统中，产量可能在几个季节内较低，直到土壤结构和生物活性重建。减少耕作可改善谷物物理特性，但若残体中氮固持不平衡，可能降低蛋白质含量。在谷物连作中，仅减少耕作不足，需同时进行轮作和综合植物保护。

5. 再生谷物作物生产中的水分管理
水分是决定再生实践在谷物作物中有效性的最重要因素之一。再生水分管理超越灌溉，涵盖整个土壤-植物水分平衡，包括降水截留、入渗、保持、蒸发损失以及植物在干旱期间维持生理功能的能力。关键RA实践包括土壤覆盖、作物残体保留、减少耕作、覆盖作物、有机施肥、多样化轮作和活根管理。在干旱地区，水分效益应通过闭合平衡来呈现，包括降水、灌溉、剖面水分储量变化、毛细上升、径流、深层排水和蒸散。在过度灌溉或间歇性淹水系统中，再生实践应限制过多水分。水分保持取决于团聚体结构、有机质含量、孔隙度、生物活性和生物孔隙连续性。收获残体在谷物作物中尤为重要，可减少雨滴冲击、减缓径流、防止结皮并创造有利于水分保持的小气候。入渗决定了多少降水被植物利用，多少通过径流损失。在易结皮的土壤上，改善入渗是稳定根系出苗和发育的前提。覆盖作物在荟萃分析中平均增加入渗34.8%，但免耕的改善不显著。水分管理还应考虑田块地形，再生实践可通过减少局部水分亏缺或过剩的影响来改善产量稳定性。土壤表面蒸发是从播种到冠层闭合以及收获前茬作物后水分损失的主要途径，覆盖物、秸秆、茬口和活体覆盖可减少土壤暴露于阳光、限制地表风速并降低温度。再生系统中的耐旱性是整个土壤-植物-微生物组系统的特征，包括改善的土壤结构、更深根系、更大土壤持水能力、更高效氮循环和品种选择。

6. 再生农业对植物病害管理的影响
RA已成为增强土壤健康、生物多样性和生态系统恢复力的有前景框架，其科学基础集中于改善土壤生物活性和培育有益微生物群落。这反映了从病原体中心的病害观向系统基础视角的转变，其中病害抑制源于农业生态系统的功能，而非单个病原体的消除。RA通过维持病原体种群低于经济损害阈值来管理病害风险，而非追求完全根除。然而，RA对植物病害管理的影响相对未充分探索，现有文献主要关注土壤相关过程，对植物病害流行病学的关注有限。尽管增加的土壤抑制性可减少某些土传病原体，但这些效果高度依赖于特定病害系统，并非普遍观察。叶面病害的流行主要由环境因素驱动，如温度、降雨、相对湿度和叶面湿润持续时间，而非土壤生物学特性，因此仅通过改善土壤质量的再生实践不太可能持续缓解。然而，来自成熟再生系统的近期证据表明，土壤健康的改善可能间接有助于抑制某些叶面病害，例如直接播种谷物中黄锈病和白粉病的发生率可降低高达80%。种子传播病害代表了一种对比性流行病学情景，因为再生实践可能在流行启动前直接减少初侵染源的数量或活力。RA对土传病原体的影响通常预计最大，因为它们的存活、持久性和侵染过程与土壤生物活性密切相关。病害抑制性土壤是RA可能减少病害的最佳记录机制之一。覆盖作物是RA的基本支柱之一，但许多覆盖作物物种也可作为重要病原体的替代宿主或“绿色桥梁”，允许其在生长季节之间存活并增加后续经济作物的初侵染源。残体保留可能增加残体传播的坏死营养型病原体的风险。再生实践还可能通过改变养分循环和土壤养分有效性影响宿主营养状况，进而影响植物防御和病害易感性。RA不应被视为综合病害管理（IDM）的替代品，而应被视为补充和加强IDM的生态框架。在IDM框架内，现代再生系统应利用地理信息系统（GIS）、遥感、分子诊断等先进工具。生物刺激素作为改善作物恢复力和补充常规病害管理的重要手段，通过激活或启动植物免疫系统发挥作用，但效果高度依赖作物种类、病原体生物学、环境条件等。

7. 再生实践对谷物产量和品质的影响
谷物产量和品质是衡量再生实践在谷物中有效性的最终指标。改善土壤健康、水分保持和生物多样性仅在支持稳定生产和可预测作物品质时才有益。产量稳定性主要源于土壤作为水分储存系统和根系环境的功能改善。在干旱年份，改善入渗、减少蒸发、增加团聚体稳定性和生物活性可限制产量波动。产量下降的最大风险发生在系统变更后的最初几年，过渡期可能因高C:N残体分解时的暂时性氮固持、杂草种子在表层集中、覆盖物下土壤升温慢及湿度高、不适当设备导致出苗不均匀、微生物组和菌根网络暂时重组以及残体中坏死营养型病原体存活增加而出现产量下降。氮动态尤为重要，在秸秆含量高的系统中，微生物可能周期性地固持氮，减少分蘖和穗粒数，并影响品质小麦的蛋白质和面筋含量。谷物品质取决于基因型、氮可用性、水分供应、冠层健康和天气模式。再生实践可通过改善灌浆期水分供应来增加籽粒质量，但若在作物发育后期氮不可用，则可能损害蛋白质品质。长期效益包括改善土壤结构、入渗、生物活性、水分保持、氮利用效率和胁迫耐受性。再生实践应被视为产量稳定化策略，而非立即增产的原因。在实践中，应评估谷物产量、蛋白质产量、成本、年际变异性、工艺品质、病害和杂草压力以及土壤变化。

8. 再生农业的局限性和实践挑战
RA最重要的局限性是其缺乏普遍性，因为其依赖于特定农场的环境、气候、经济和社会条件。在同一地区有效的实践在另一地区可能无效。这种缺乏普遍性意味着潜在机制可能相似，但效益与权衡之间的平衡随环境约束而变化。过渡到再生系统可长期减少燃料、肥料、农药和水消耗，但需要初始投资。核心投资包括成功实施所选实践所需的设备、种子、土壤分析和培训。过渡风险可通过分阶段实施、机械共享、合同服务、优惠贷款、环境补贴、生态系统服务付费、收入保险和独立咨询来缓解。在低利润谷物作物中，即使最初几年小幅减产也可能限制农场流动性。完整的经济分析必须分离固定和可变成本，包括设备价格和折旧、燃料消耗、劳动力、种子、覆盖作物终止、氮肥调整、杂草和病害监测以及潜在的谷物干燥和清洁成本。选择技术是关键挑战，RA不是单一方法。杂草压力是减少耕作的主要限制之一，无土壤翻转导致杂草种子保留在表层，若系统不包括竞争性冠层、适当延迟播种、轮作、覆盖作物、机械控制和合理除草剂使用，则可能发生杂草增殖和种子库积累。土壤类型和气候决定给定实践是否能改善系统性能。气候变化进一步增加了不确定性，干旱、强降雨和热浪可能改变后续年份实践的适宜性。在RA背景下，绿色漂洗意味着将单一实践或产品呈现为“再生性”，而无土壤、水、生物多样性、排放和生产稳定性可持续改善的可验证证据，或忽略重大权衡。气候影响评估应为净平衡，而非仅测量表土SOC，应考虑整个剖面的SOC储量变化，校正容重，并包括CO₂、CH₄和N₂O排放，以CO₂当量表示。实践挑战并不否定RA的潜力，但表明其成功取决于实施质量。分阶段方法最安全，包括田间诊断、小规模农场试验、指标监测、逐步扩大土地面积和实践调整。RA需要时间、知识和灵活性，不是一个封闭的统一生产模式，而是一个基于诊断、监测和实践调整的持续改进过程。

9. 结论
总之，本综述证据表明，在谷物生产中，最有效的系统是那些结合减少耕作与残体保留、多样化轮作（含豆科植物）、管理良好的覆盖作物、平衡施肥和综合虫害管理的系统。这些实践可改善土壤结构和生物功能、水分入渗和保持以及产量稳定性，但效果的方向和程度取决于气候、土壤质地和排水、氮平衡、杂草和病原体压力以及实施质量。没有单一实践可被视为普遍解决方案。本综述整合了通常单独分析的研究领域：土壤健康、水分管理、病害流行病学以及谷物产量和品质。同一机制可产生效益和权衡：残体减少蒸发和侵蚀，但可能增加病原体接种物；覆盖作物保留养分并保护土壤，但在干旱环境中可能减少后续作物的水分和氮供应；有限耕作可改善土壤功能，但最初几年可能减产。现有数据受限于RA定义的高度异质性、短期和单因素试验的主导地位，以及同时测量整个土壤剖面SOC、N₂O排放、水平衡、病害和杂草压力、谷物工艺品质和经济表现的稀缺性。未来研究需要多年、多因素试验，并回答以下问题：(1) 哪些实践组合能在不同农业生态区优化产量和品质，同时改善水分利用并减少温室气体排放；(2) 过渡阶段持续多长时间，哪些指标可早期预测减产风险；(3) 土壤微生物组和功能的变化如何转化为特定谷物病害系统；(4) 降水、氮丰度、残体覆盖和杂草压力的阈值如何决定覆盖作物和免耕的安全使用；(5) 环境效益在考虑全部成本、谷物品质和收入变异性后是否持续。