多样化豆科作物轮作增强热带免耕系统的养分循环和长期生产力

《Frontiers in Environmental Science》：Diversified legume-based crop rotations enhance nutrient cycling and long-term productivity in tropical no-tillage systems

　　

多样化的免耕作物序列是改善热带环境中土壤健康、生产力和可持续性的关键策略。然而，由于经济、文化和技术的限制，采用多样化种植系统仍然有限。本研究旨在评估长期多样化作物轮作（在豆科作物纳入和矿物磷（P）和钾（K）施肥方面不同）如何影响成熟热带免耕系统（NTS）中的系统氮（N）、磷（P）和钾（K）预算、生物量生产和作物生产力。利用在巴西南部热带铁铝土（Ferralsol）上建立的10年田间试验，研究人员评估了六种长期作物轮作，这些轮作在作物多样化、豆科（Fabaceae）覆盖作物纳入以及磷和钾矿物施肥方面有所不同。通过整合养分输入、作物吸收、谷物养分输出、生物量养分循环和土壤净养分平衡，量化了系统总N、P和K预算。与低多样性的非豆科轮作（特别是两种作物黑燕麦/菜豆序列）相比，基于豆科的集约化轮作提高了作物生产力。在最优或次优矿物施肥下以及未施肥的野豌豆轮作中，基于野豌豆的轮作产生了最高的累积谷物产量（约52,000 kg ha^-1），比黑燕麦/菜豆轮作（约38,000 kg ha^-1）增加了38%（1.38倍）。这种响应与玉米在毛叶苕子后比在黑燕麦后地上生物量和谷物产量增加40%有关。在最优矿物施肥或无施肥下，豆科集约化轮作保持了强正N预算（+559 kg ha^-1），而低多样性的黑燕麦/菜豆轮作显示出净N赤字。相反，所有未施肥系统，包括高产的未施肥毛叶苕子轮作，都表现出强负P和K预算，表明土壤肥力逐渐耗竭的风险。只有次优矿物施肥的野豌豆轮作在高产系统中部分抵消了这些养分赤字。这项研究强调了基于豆科的作物轮作作为维持正N预算的关键策略的作用，从而支持热带NTS下的养分循环和作物生产力。维持养分平衡依赖于将生物固氮（BNF）与平衡的矿物P和K施肥相结合，以抵消高产系统中的养分输出赤字，并降低长期土壤肥力耗竭的风险。

在热带地区，免耕系统（NTS）已成为巴西主要的种植方式，覆盖约3300万公顷。然而，由于热带铁铝土（Ferralsol）天然肥力低、磷固定能力强、养分储量有限，长期维持高生产力面临挑战。尽管施石灰和肥料可缓解初期限制，但持续高产越来越依赖高效的生物养分循环和谷物收获后的养分补充。因此，理解不同作物轮作如何调控养分动态对评估可持续性至关重要。现有研究多关注短期指标，缺乏对长期系统养分预算的整体评估。为此，研究人员在巴西南部克鲁斯阿尔塔的一个商业农场（长期采用NTS）进行了10年田间试验，评估六种不同豆科纳入和矿物磷钾施肥的轮作对系统氮、磷、钾预算、生物量生产和作物生产力的影响。研究得出以下结论：基于豆科（尤其是毛叶苕子和菽麻）的集约化轮作显著提高了氮输入，维持了正氮预算，累积谷物产量比非豆科轮作增加约38%。但高产也加剧了磷和钾的谷物输出，未施肥系统出现严重负磷钾预算，表明仅靠生物固氮（BNF）不足以长期维持养分平衡。只有将生物固氮与靶向磷钾施肥相结合，才能在高产系统中维持更平衡的养分预算，这一策略是热带NTS长期可持续的关键。论文发表在《Frontiers in Environmental Science》。

关键技术方法（不超过250字）：研究基于巴西南部克鲁斯阿尔塔商业农场（28°36′113″ S, 53°42′035″W）的10年田间试验（1997–2007），采用随机完全区组设计，设6种轮作处理（T1: 饲用萝卜-玉米-饲用萝卜-小麦-大豆；T2: 黑燕麦-玉米-菜豆-小麦-大豆；T3: 施肥野豌豆-玉米-饲用萝卜-小麦-大豆；T4: 施肥野豌豆-玉米-菽麻-小麦-大豆；T5: 未施肥野豌豆-玉米-饲用萝卜-小麦-大豆；T6: 未施肥野豌豆-玉米-菽麻-小麦-大豆）。通过测定地上部生物量（收获期取样，1 m2，3次重复）、谷物产量（13%含水量），利用养分浓度（硫酸和硝酸-高氯酸消化法）计算氮磷钾吸收、输出、循环和净预算，采用养分收获指数（NHI）评估养分分配，并用主成分分析（PCA）和线性回归（R2）识别生产力驱动因子。生物固氮根据文献系数估算。

研究结果：
**3.1 干物质生产**：通过比较5个轮作周期（共10年）的累积生物量，发现多样化豆科轮作（T3-T6）显著高于简单轮作（T1、T2）。施肥处理（T3、T4）累积总生物量最高（127.4和125.5 Mg ha^-1），比T2（黑燕麦/菜豆轮作）高约30%。冬季覆盖作物中，黑燕麦（T2）生物量最高，但夏季覆盖作物中T3和T4生物量比T2高约6倍。
**3.2 谷物产量**：玉米产量对轮作响应最强，豆科轮作（T3-T6）累积玉米产量比T2增加约40%（T4和T5最高，29.4和29.5 Mg ha^-1）。小麦产量差异较小，T3最高（10.6 Mg ha^-1），T2最低（6.8 Mg ha^-1）。大豆产量在后期轮作中受豆科轮作正向影响，T5累积最高（13.8 Mg ha^-1）。总体累积谷物产量以T3-T5最高（51.7–52.4 Mg ha^-1），T2最低（37.9 Mg ha^-1）。
**3.3 氮磷钾输入与吸收**：通过估算豆科固氮和施肥输入，T4和T6获得最高累积N输入（1873和1728 kg ha^-1），T1和T2最低。施肥处理（T3、T4）N、P吸收最高，比未施肥豆科系统高6%–14%。K吸收以T3和T5最高，T2最低，未施肥豆科系统（T5、T6）K吸收比T2分别高73%和38%。
**3.4 养分输出、循环与预算**：豆科轮作（T3-T6）养分输出最高，T2最低。施肥处理（T3、T4）N、P循环最高，T3的K循环最高。N预算：豆科系统为正（T4和T6最高），T2为负。P和K预算：所有未施肥系统（包括高产豆科）均为负，施肥处理（T3、T4）负值较小。养分收获指数（NHI）：简单轮作（T1、T2）的N、P、K NHI最高，豆科系统较低，表明更多养分保留在秸秆中。
**3.5 多变量分析**：主成分分析（PCA）中，PC1和PC2解释84.1%方差。PC1与生物量、产量、养分输出和循环正相关，区分豆科系统（高生产力）与非豆科系统（低生产力）。PC2由P、K预算和输入正负载与产量负负载定义，将施肥豆科系统（T3、T4）与未施肥系统（T5、T6）分开。
**3.6 系统生产力主要驱动因子**：通过线性回归R2排序，累积干物质和谷物产量的前5个预测因子均为与N、K提取和循环相关的变量，表明这些过程的强度与长期生产力紧密相关，而净养分预算的R2相对较低。

总结讨论部分：讨论指出，豆科轮作通过生物固氮（BNF）维持正N预算，促进养分循环，但高产导致P和K输出加剧，未施肥系统出现负平衡，威胁长期可持续性。覆盖作物功能多样性（如饲用萝卜提高K循环，菽麻提供高质量生物量）与施肥结合是维持养分平衡的关键。研究强调，热带NTS的可持续性依赖于生物固氮与靶向矿物P、K施肥的耦合。研究结论翻译如下：
这项10年研究表明，将豆科（Fabaceae）纳入NTS轮作显著增加了N输入，并在热带铁铝土（Ferralsol）上维持了长期生产力。基于豆科的系统，特别是包含野豌豆和菽麻的系统，实现了正N预算，累积谷物产量比非豆科轮作增加约38%。然而，高生产力也加剧了谷物收获导致的养分输出。未施肥高产系统出现了强负P和K预算，表明仅靠生物N输入不足以长期维持养分。因此，原假设仅得到部分支持。将豆科来源的N输入与靶向P和K施肥相结合，是在10年内维持高生产力同时保持更平衡养分预算的最有效策略。总体而言，热带NTS的长期可持续性依赖于将生物N输入与矿物施肥相结合，以抵消高产系统中由输出驱动的养分损失。