多样化轮作在16年无投入实验中改善了产量表现和盈利能力

《Agronomy Journal》：Diversified rotations improved yield performance and profitability in a 16-year, no-input experiment

　　

多样化作物轮作提供了多种农业生态系统效益，如缩小产量差距、减少环境影响、提高恢复力和增强农场盈利能力。研究人员使用了来自密歇根州西南部一项16年作物轮作实验的数据，该实验在无外部农化投入条件下进行，以隔离和评估“作物轮作效应”（crop rotation effect）对谷物产量、与县级平均值相比的相对产量差距（relative yield gap）以及盈利能力的影响。处理包括玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max L. merr.）和冬小麦（Triticum aestivum L.），并系统性地与彼此以及非收获冬季覆盖作物（红三叶草[Trifolium pratense L.]或深红三叶草[T. incarnatum L.]和黑麦[Secale cereale L.]）进行多样化组合。在所有三种经济作物中，与单作相比，在轮作中增加任何作物使玉米、大豆和冬小麦的相对产量差距分别缩小约77%、20%和58%。多样化轮作，特别是包括豆科覆盖作物的轮作，相较于不含豆科覆盖作物的2年和3年轮作，使玉米和冬小麦的籽粒产量提高了高达95%和64%，并改善了经济回报（>300%）。多样化轮作在缺乏历史上混淆轮作效应的混杂管理措施的情况下，提供了可衡量的生产力和经济收益。

**论文解读：多样化轮作在16年无投入实验中的产量与盈利优势**

**研究背景与问题**
多样化作物轮作被广泛认为能改善农业生态系统功能，如提升土壤肥力、增强生物活性、抑制杂草和破坏病虫害周期。然而，传统轮作实验常伴随施肥、除草、耕作等管理措施的差异，导致“轮作效应”（rotation effect）难以与多样性贡献分离。此外，覆盖作物（特别是豆科物种）在轮作中的独立贡献，以及无投入条件下轮作多样性的经济影响，尚缺乏长期研究。为此，研究人员利用密歇根州西南部一项16年无外部农化投入的作物生物多样性梯度实验（CBGE），系统评估轮作多样性对玉米、大豆、冬小麦产量的孤立效应，并在产量差距框架内与县级产量比较，同时分析年度和累积净盈利能力。

**主要技术方法**
实验于2000年在密歇根州立大学凯洛格生物站长期生态研究点（KBS-LTER）建立，土壤为Kalamazoo和Oshtemo系列。处理包括三种经济作物（玉米、大豆、冬小麦）的单作、2年轮作（玉米-大豆、小麦-大豆）和3年轮作（玉米-大豆-小麦），并添加或不添加冬季覆盖作物（红三叶草、深红三叶草、黑麦）。所有处理不使用任何化肥或农药。产量数据来源：密歇根州Barry县历史产量（USDA-NASS，1940-2015），通过分位数回归（95百分位）计算可达到潜在产量（APY）。计算指标包括产量差距增长（YGG）、实验产量比（EYR）和县级产量比（CYR）。经济分析基于种子、作业、收获成本及谷物价格，计算毛利润（GPM）。统计采用SAS PROC MIXED混合模型，以年份和区组为随机效应，处理为固定效应。

**研究结果**

**3.1 轮作多样性对作物产量的影响**
玉米产量从2000年的8.5 Mg ha^-1降至2015年的2.5 Mg ha^-1，但多样化轮作（CSW1和CSW2，即含豆科覆盖作物或含两种覆盖作物的3年轮作）维持了较高产量，单作玉米（mC）最低。YGG（产量差距增长率）随轮作多样性增加而降低，CSW2显著低于CSW（玉米-大豆-小麦轮作）。大豆产量下降幅度较小（从3.2降至1.9 Mg ha^-1），轮作效应不显著但多样化轮作常超过单作。冬小麦产量从4.1降至1.9 Mg ha^-1，WCS1和WCS2（含覆盖作物的3年轮作小麦阶段）产量较高，WCS2的YGG显著低于W1（小麦+覆盖作物单作）和WCS。EYR分析显示，玉米EYR在多样化轮作中更高，CSW1和CSW2在16年中有7年优于其他轮作，最高增产131%；大豆EYR在部分年份超过1，并与CYR呈正相关；小麦EYR始终低于1，但多样化轮作更接近县级平均值。

**3.2 多样化轮作对盈利能力的影响**
多样化轮作显著提高了毛收益、净收益和GPM。单作小麦（mW）盈利最低（净收益$120 ha^-1，GPM 16%），3年轮作（CSW、CSW1、CSW2）净收益最高（$430-490 ha^-1）。单作大豆（mS）是例外，净收益$465 ha^-1且GPM最高（81%）。轮作长度从单作增至2年，净收益从$302增至$479 ha^-1，GPM从59%升至73%；3年轮作净收益进一步升至$490 ha^-1，GPM保持73%。包含覆盖作物增加了生产成本（约$17 ha^-1），但净收益提高7%，GPM提高25%。

**讨论与结论**
研究人员指出，无投入条件下产量下降属预期，但大豆下降较少因生物固氮（满足50%-60%氮需求）。多样化轮作（尤其是含豆科覆盖作物）通过增加土壤氮供应（豆科覆盖作物固氮高达100 kg N ha^-1）、抑制杂草和病原菌（如增加prnD基因丰度）来提升产量，支持了假设H1。盈利方面，多样化轮作因产量优势抵消了额外成本，支持了假设H2。研究结论翻译如下：关于“轮作效应”的机制仍有许多未知。本研究利用独特的长期间无投入实验，隔离了轮作多样性对产量和盈利性的影响，避免了农化投入的混杂效应。尽管此类条件不同于商业农业，但允许直接评估轮作作为生态系统服务和作物表现的驱动因素。轮作多样性持续缓解了产量下降，缩小了产量差距，并抵消了通常无肥料投入下的生产力损失。这些效益基本独立于气候，仅大豆例外，在有利生长条件下多样化轮作提高了产量。净收益随多样性增加而提高，从单作转向2年轮作时最为显著。这些发现表明，即使缺乏外部投入，多样化作物轮作也能维持产量并提高盈利能力。结合其已被充分记录的环境效益，多样化轮作提供了通往可持续农业的稳健且可扩展的路径。