《Journal of Agriculture and Food Research》：Underutilised Crops for Enhancing Soil Health and Water-Use Efficiency in Water-Scarce Agricultural Systems: A Systematic Review
摘要
水资源短缺与土壤退化制约着干旱、半干旱及雨养农业系统中的农业生产，增加了对能够在有限水分和投入条件下维持生产的作物的需求。本系统综述综合了关于未充分利用作物对土壤健康、水分利用效率（Water-Use Efficiency, WUE）及气候智慧型农业（Climate-Smart Agriculture, CSA）成果贡献的证据。遵循PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）指南，研究人员从Scopus、Web of Science和Google Scholar中识别出2014年至2025年间发表的同行评审研究。在识别的275条记录中，有28项研究符合纳入标准。班巴拉花生（Vigna subterranea）是研究最频繁的作物（14项研究），其次是豇豆（Vigna unguiculata）（12项）、高粱（Sorghum bicolor）（9项）、黍稷（Eleusine coracana）（7项）、珍珠粟（Pennisetum glaucum）（6项）、苋菜（Amaranthus spp.）（4项）、非洲龙葵（Solanum scabrum）（2项）和非洲山药豆（Sphenostylis stenocarpa）（1项）。水分利用效率是最常报告的水分相关指标，出现在28项研究中的23项（82.1%），其次是耐旱性（11项；39.3%）、雨养表现（8项；28.6%）、土壤保水性（5项；17.9%）和灌溉需水量（3项；10.7%）。土壤健康证据集中于生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）、土壤氮、土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）和养分有效性，而土壤结构、团聚体、微生物过程和侵蚀控制则较少被评估。豆科作物主要通过生物固氮和养分循环做出贡献，而耐旱的禾谷类和黍稷类作物则更 consistently 与水分利用效率、雨养表现和水分胁迫下的生产相关联。更广泛的采用主要受到与主要 staple 作物的竞争、政策支持不足、农艺知识有限、推广服务薄弱、种子可用性差和市场欠发达的制约。总体而言，证据最强有力地支持选定的未充分利用作物在缺水系统中的适应性和生产力效益，而长期土壤过程和气候减缓成果仍未得到充分量化。未来研究应优先开展长期的、针对特定作物的田间研究，在不同缺水环境中同时测量作物生产力、土壤过程和水文动态。
1. 引言
农业系统日益受到土壤退化、水资源短缺、气候变化与变率以及生态系统韧性下降的综合压力。这些压力在资源受限的半干旱和干旱气候区的雨养农业系统中尤为严重，有限的降雨、频繁的干旱和外部投入品的获取受限制约了生产力并威胁粮食安全。土壤退化降低了土壤支持植物生长、调节水流、循环养分和维持生物活动的能力，而水资源短缺则降低了产量稳定性并增加了小农户和资源受限农业系统的脆弱性。缺水农业系统中的资源约束既包括生物物理层面的，也包括社会经济层面的。生物物理约束包括低且高度可变的降雨量、反复出现的干旱、高蒸散需求、有限的植物可利用水，以及取决于土壤类型和管理历史的土壤有机质或养分有效性的限制。社会经济和制度约束包括灌溉基础设施、优质种子、肥料、机械化、信贷、推广服务和农产品市场获取渠道有限。全球范围内，农业约占淡水取水量的72%，而约12亿人生活在经历严重水资源约束的农业地区，这说明了农业水资源所承受的压力规模。
气候智慧型农业已被广泛推广为一个框架，旨在提高农业生产力、加强气候变化适应，并在可能的情况下减少环境影响。然而，精准技术、灌溉基础设施、改良投入品和机械化保护性耕作等干预措施对于资源受限的农民来说可能成本高昂或难以获取。这增加了人们对低投入、本地适应且具有生态功能的选项的兴趣，这些选项可以在边际条件下增强韧性。未充分利用作物，也被称为被忽视和未充分利用物种（Neglected and Underutilised Species, NUS）、孤儿作物、传统作物或本土作物，代表了这样一种选项。这些作物长期以来为当地饮食、生计和农业生态系统多样性做出了贡献。然而，与玉米、小麦和马铃薯等主要主食作物相比，它们获得的研究、育种、政策和市场支持有限。恩哈莫等人将未充分利用的本土作物定义为在当地生产并主要种植于特定原住民社区的作物物种，但由于未纳入主流粮食系统而失去了其普及性。重要的是，“未充分利用”这一称谓取决于具体背景，并不一定意味着某种作物在全球范围内稀有或仅小规模种植。一个物种可能在特定国家或地区被广泛种植，但在国家或全球范围内相对于主要主食作物而言，仍然研究不足、育种不足、在正式种子系统中代表性差、商业化程度弱或处于边缘地位。因此，豇豆、高粱和黍稷等作物不应被视为在全球范围内统一未充分利用。在本综述中，未充分利用的解释与作物在正式研究、育种、市场或政策系统中相对被忽视的农业生态和粮食系统背景相关。
许多未充分利用作物适应了边际土壤、低降雨量、病虫害压力、热胁迫和低投入生产条件。例如班巴拉花生、豇豆、非洲山药豆、黍稷、珍珠粟、高粱、苋菜和非洲龙葵。除了营养和生计价值外，这些作物可能通过其水分胁迫和干旱韧性为土壤健康和水分利用效率做出贡献。班巴拉花生、豇豆和非洲山药豆等豆科作物可以支持生物固氮、养分循环和土壤肥力改善。黍稷、珍珠粟和高粱等禾谷类和假禾谷类作物通常与耐旱性、雨养生产和边际条件下的韧性相关。苋菜和非洲龙葵等叶菜类蔬菜可以有助于土壤覆盖和低投入粮食生产系统。通过这些功能，未充分利用作物可以支持土壤有机质管理、土壤保水性、微生物活动、生物多样性保护，并减少对外部投入品的依赖，这些投入品成本高昂且对环境有不利影响。
尽管有这种潜力，现有证据仍然在作物类型、土壤指标、水分利用指标和农业生态背景方面支离破碎。现有研究通常关注单一作物或特定农艺性状，对其更广泛的土壤健康、水分利用效率和气候智慧型农业贡献的整合较少。采用也受到实际约束的影响，包括薄弱的种子系统、有限的农艺信息、欠发达的市场、推广支持不足、病虫害压力和政策认可有限。因此，本系统综述评估了来自不同功能群（豆科、禾谷类和叶菜类）的未充分利用作物在缺水农业系统中增强土壤健康和水分利用效率的潜力。具体而言，本综述旨在回答以下研究问题：（1）关于未充分利用的豆科、禾谷类和叶菜类作物在缺水农业系统中对土壤健康和水分利用效率影响的证据有哪些？（2）在水限条件下，这些作物群在改善土壤健康和水分利用效率方面的潜在影响如何比较？（3）影响未充分利用作物在缺水农业系统中种植、整合和采用的主要推动因素和障碍是什么？
2. 材料与方法
2.1 综述框架与检索策略
本研究遵循由PRISMA框架指导的系统综述方法，以确保在识别、筛选、资格评估和纳入相关研究过程中的透明性和可重复性。综述聚焦于连接未充分利用作物与缺水农业系统中土壤健康、水分利用效率和气候智慧型农业的证据。于2026年1月18日在Scopus、Web of Science和Google Scholar中进行了一次性的结构化文献检索，检索2014年至2025年间发表的同行评审研究。2014-2025年期间是预先选定的，以提供一个明确定义的当代证据窗口，涵盖检索时可获得的最完整的12个出版年份。由于文献检索于2026年1月进行，2025年代表了最近的完整出版年份，因此作为上限，以避免因仅纳入2026年出版物中一小部分不完整部分而可能产生的时间偏差。2014年的下限是为了保持足够宽的时期以识别趋势，同时确保综合反映当代农艺研究、当前的水分利用评估方法，以及在水限农业系统中对气候韧性、可持续集约化、农业生态学和资源高效作物生产日益增长的重视。将综述限制在这一近期时期也通过减少旧实验方法、作物管理实践、水分利用测量技术和报告标准中重大差异的影响，提高了研究之间的可比性。因此，所选时间范围旨在平衡证据广度与方法相关性和可比性，而不是暗示对未充分利用作物的研究始于2014年。检索词围绕五个概念制定：未充分利用作物、气候智慧型农业、土壤健康、水分利用效率和缺水系统。检索词被组织成五个概念块。在每个概念块内，相关术语使用布尔运算符OR组合，而五个概念块使用AND相互组合。完整的检索词和布尔组合见表1。
2.2 资格标准
应用预定义的纳入和排除标准来识别与综述目标相关的研究（表2）。纳入标准为：2014年至2025年间以英文发表的同行评审研究文章，具有全文可用性，关注未充分利用或被忽视的作物，并报告与土壤健康、水分利用效率、干旱响应、土壤水分或缺水农业系统相关的结果。合格的土壤相关结果包括土壤结构、团聚体、土壤有机碳、土壤有机质、养分有效性、生物固氮、微生物活动、酶活性、土壤生物多样性和土壤水分。合格的水分相关结果包括水分利用效率、水分生产力、耐旱性、土壤保水性、雨养表现和灌溉需水量、水分需求。若研究仅关注主要主食作物（如玉米、小麦、水稻或大豆）而不涉及未充分利用作物，则被排除。若研究仅报告产量或一般农艺表现而不评估土壤或水分相关指标，也被排除。此外，若出版物在相关农业或环境背景之外进行，或未涉及气候智慧型农业维度（如适应、生产力、可持续性或韧性），则被排除。灰色文献、学位论文、会议摘要（无全文）、观点文章、书籍章节、综述文章、非英语出版物和无法获取的全文均被排除。
2.3 筛选
研究筛选使用RStudio中的Revtools R包进行。从Scopus、Web of Science和Google Scholar检索到的记录以RIS格式导出，导入Revtools，并合并为单一书目数据集。使用“find_duplicates”和“remove_duplicates”功能检测并删除重复记录。然后手动检查随机选择的记录子集以验证自动去重过程的准确性。去重后，使用Revtools中的交互式筛选功能进行标题和摘要筛选。每条记录根据预定义的资格标准进行评估，并分类为“纳入”、“排除”或“可能”。被分类为“纳入”或“可能”的记录被保留用于全文审查，以确保潜在相关的研究不会过早被排除。标题、摘要和全文筛选阶段由两名审查员独立完成，以减少选择偏差并提高方法严谨性。任何分歧，包括对标记为“可能”记录的决定，均通过讨论解决直至达成共识。随后评估全文研究文章与综述目标的相关性、方法适用性和与纳入标准的一致性。若研究未涉及未充分利用作物、土壤健康指标、水分利用指标、缺水农业系统或种植和采用相关制约因素，则被排除。这种分阶段筛选过程为选择纳入综述的最终研究提供了透明、系统和可重复的基础。
2.4 研究选择流程
图1展示了PRISMA流程图，记录了研究的识别、筛选、资格评估和纳入情况。共从Scopus（n=92）、Web of Science（n=58）和Google Scholar（n=125）识别出275条记录。去除48条重复记录后，保留227条记录进行标题和摘要筛选。在此阶段，125条记录因非英语出版物（n=26）、明显不符合资格（n=57）或超出综述范围（n=42）而被排除。随后共102条记录被寻求全文检索，其中30条因多次尝试后全文不可用或无法获取而未能检索。其余72篇全文文章进行了资格评估。在全文评估后，44篇文章因是综述文章（n=26）或书籍章节（n=18）而被排除。最终，28项研究符合纳入标准并被纳入系统综述。
2.5 数据提取与综合
数据提取和综合使用结构化提取矩阵进行。仔细审查选定的研究后，从每项研究中提取相关数据并系统组织，以确保证据基础的一致性。数据提取采用自动化和手动程序相结合的混合方法。书目元数据（包括作者、出版年份、关键词和来源信息）的提取使用数据库导出功能和RStudio中的Bibliometrix包自动完成。此后，从全文文章中手动提取详细的研究层面信息，并输入结构化的提取矩阵。提取矩阵包括作者和出版年份、研究标题、国家或研究地点、作物类型、农业生态背景、研究目标、方法和分析、土壤健康指标、水分利用指标、主要发现以及报告的种植或采用挑战。土壤健康指标分为物理、化学和生物类别，而水分利用指标则根据耐旱性、水分利用效率、水分生产力、土壤保水能力、雨养表现和灌溉需水量进行分类。为最小化主观性和提取偏差，提取的信息在综合过程中交叉检查一致性和准确性。鉴于纳入研究在作物物种、研究设计、测量指标和农业生态背景方面的异质性，采用了叙述性综合方法。开发描述性摘要以检查出版趋势、国家层面的科学生产、关键词共现模式、作物类型分布、报告的土壤和水分相关指标以及与种植和采用相关的挑战。研究结果进一步组织成汇总表，突出选定的未充分利用作物对土壤健康改善的贡献、在缺水农业系统中的表现以及与采用相关的制约因素。
3. 结果
3.1 年度出版趋势
图2显示了2014年至2025年间发表的关于未充分利用作物、土壤健康和水分利用效率的28项选定研究的年度分布。早期出版量普遍较低，2014年和2015年各记录一篇文章，随后在2016年和2017年略有增加。这一趋势并非连续的，因为2018年和2021年出版数量再次下降。然而，研究活动在后期更为明显地增加，特别是从2022年开始。文章数量最高记录在2025年，其次是2024年，表明近期对与土壤健康和水分利用效率相关的未充分利用作物的兴趣日益增长。总体而言，这种模式表明一个新兴且不断扩大的研究焦点，尽管逐年变化表明该领域仍在发展中而非稳步确立。
3.2 科学生产的地理分布
图3显示了关于缺水农业系统中未充分利用作物、土壤健康和水分利用效率的科学生产的地理分布。科学生产在国家间分布不均，南非贡献的文章数量最多。这表明南非旱地和半干旱农业背景下对未充分利用作物的研究重点突出。马来西亚和尼日利亚也贡献了大量文章，其次是印度、巴基斯坦、英国、加纳、布基纳法索和澳大利亚。这种分布表明许多研究来自水资源短缺和小农农业是重要研究与开发优先事项的国家。来自发展中国家和发达国家的研究的存在表明更广泛的国际兴趣，尽管研究产出仍集中在少数几个国家。这种模式凸显了未充分利用作物在应对易受干旱、土壤肥力低和气候变率影响的地区土壤和水资源制约方面的相关性，同时也指出了其他缺水地区需要更广泛的地理代表性。
3.3 关键词共现与主题结构
图4展示了源自28项纳入研究摘要的关键词共现网络。该网络表明文献围绕几个相互关联的主题组织，突出术语包括气候变化、干旱、水资源可用性、粮食安全、作物生产、气候韧性和未充分利用作物。节点大小表示关键词频率，链接表示在同一摘要中的共现。聚类模式表明，对未充分利用作物的研究与水相关制约和气候敏感型农业生产密切相关。干旱、半干旱地区、水资源可用性和水分利用效率等关键词表明，许多研究关注未充分利用作物在解决水资源短缺和改善干旱条件下作物表现方面的作用。粮食安全、小农户和可持续农业之间的关联进一步凸显了这些作物对生计韧性和可持续生产系统的相关性。该网络还显示了本土知识、农业生态学和适应之间的联系，表明当地知识系统和农业生态学方法是文献中的重要主题。总体而言，关键词结构将未充分利用作物置于缺水农业系统中气候韧性、可持续农业、土壤肥力、水分利用效率和粮食安全的更广泛框架内。
3.4 研究中未充分利用作物类型的分布
图5显示了28项纳入研究中代表的未充分利用作物类型的频率和比例。班巴拉花生是研究最频繁的作物，出现在14项研究中（50.0%），其次是豇豆12项（42.9%）、高粱9项（32.1%）、黍稷7项（25.0%）和珍珠粟6项（21.4%）。苋菜在4项研究中有报告（14.3%），而非洲龙葵和非洲山药豆仅分别出现在2项（7.1%）和1项（3.6%）研究中。因此，这种分布表明证据基础主要集中在班巴拉花生、豇豆、高粱和黍稷上，而其他未充分利用作物物种的证据相对有限。由于个别研究可以调查一种以上的作物，这些类别并非互斥的，百分比也不总计为100%。
3.5 报告的水分利用和土壤健康指标频率
图6展示了28项纳入研究中报告的水分利用和土壤健康指标频率和比例。在水相关指标中，水分利用效率是最常报告的，出现在23项研究中（82.1%），其次是耐旱性11项（39.3%）、雨养表现8项（28.6%）、土壤保水性5项（17.9%）和灌溉需水量3项（10.7%）。对于土壤健康指标，土壤氮或生物固氮是最常报告的，出现在18项研究中（64.3%），其次是土壤有机碳13项（46.4%）、土壤水分11项（39.3%）、养分有效性10项（35.7%）、微生物活动7项（25.0%）、土壤结构或团聚体6项（21.4%）和侵蚀控制4项（14.3%）。总体而言，证据基础集中于作物层面的水分利用效率和与土壤肥力相关的指标，而土壤物理和生物指标受到的关注相对较少。这些频率反映了个别指标在综述文献中被评估的频率，而不是它们相对的生态或农艺重要性。例如，尽管土壤水分是作物生长、养分有效性和缺水环境中植物表现的关键决定因素，但仅在11项研究（39.3%）中被作为土壤健康指标评估。类似地，土壤保水性作为特定的水相关结果仅在5项研究（17.9%）中有报告。因此，这些相对较低的频率表明证据中的空白，而不是土壤水分对作物生产和土壤功能的重要性有限。
3.6 限制未充分利用作物种植和采用的挑战
图7总结了影响未充分利用作物种植和采用的报告制约因素的频率和比例，而表5提供了其种植效应、管理意义和潜在干预措施的进一步细节。与主要主食作物的竞争是最常报告的制约因素，在17项研究（60.7%）中被确定。政策支持不足在12项研究（42.9%）中有报告，农艺知识有限9项（32.1%），推广支持有限8项（28.6%），市场需求薄弱7项（25.0%），种子可用性差5项（17.9%）。病虫害制约因素报告频率最低，仅出现在3项研究（10.7%）。总体而言，频率分布表明，最常报告的障碍与更广泛的制度、政策、知识、推广、市场和种子系统环境相关，而非仅与作物特定的生产制约因素相关。由于个别研究可以报告一种以上的制约因素，百分比并非互斥的，也不总计为100%。
3.7 未充分利用作物对土壤健康的贡献
表3总结了选定的未充分利用作物对土壤健康的报告贡献。研究结果表明，豆科作物，特别是班巴拉花生和豇豆，在通过生物固氮改善土壤肥力方面发挥重要作用。班巴拉花生与固氮、土壤肥力改善和对贫瘠土壤的适应性相关，使其与低投入和边际农业系统相关。类似地，豇豆被报告可增强土壤氮并改善养分有效性，特别是在作物残留物被保留的情况下。黍稷与土壤有机碳改善、保水性、生物活性和轮作效益相关，表明它可能通过地下根系效应及其在多样化种植系统中的作用对土壤健康做出贡献。苋菜与低资源系统中的养分利用效率和生产力相关，表明其在养分贫乏环境中的潜在价值。
3.8 未充分利用作物与缺水农业系统的相关性
表4显示了选定的未充分利用作物在缺水农业条件下的相关性。结果表明，几种作物具有支持有限水分供应下生产的性状。班巴拉花生与耐旱性、水分生产力和雨养适应性相关，表明其在旱地条件下维持产量的潜力。豇豆类似地与耐旱性、蒸腾效率和低水分生产系统相关。非洲山药豆被报告具有水限适应和耐旱潜力，尽管证据基础似乎比班巴拉花生和豇豆的要小。黍稷和珍珠粟与耐旱性、雨养生产和低水分需求密切相关，证实了它们在半干旱和旱地农业系统中的重要性。苋菜在水胁迫下既显示潜力也显示敏感性，表明其表现取决于管理条件和水资源可用性。
4. 讨论
面对日益加剧的土壤退化和水资源短缺，未充分利用作物为建立有韧性和资源高效的农业系统提供了一条有前景但尚未充分探索的途径。本系统综述综合了28项研究关于未充分利用作物在缺水农业系统中增强土壤健康和水分利用效率潜力的证据。总体而言，研究结果表明，未充分利用作物可以通过多种途径为可持续农业生产做出贡献，包括生物固氮、改善土壤肥力、养分循环、土壤有机碳管理、耐旱性、水分利用效率和雨养生产潜力。证据最强的是耐旱豆科和禾谷类作物，特别是班巴拉花生、豇豆、黍稷、珍珠粟和高粱，它们是报告最频繁的作物类型。这些作物与低投入、半干旱和雨养农业系统尤其相关，在这些系统中土壤肥力下降和水资源短缺限制了生产力。然而，证据基础仍然不均衡。大多数研究集中在少数作物物种上，并强调作物层面的指标，如耐旱性、水分生产力、固氮和土壤肥力。评估更广泛的土壤物理和生物指标（包括土壤结构、团聚体、侵蚀控制、微生物活动和长期土壤-水分相互作用）的研究较少。此外，更广泛的采用受到系统性障碍的制约，如农艺知识有限、种子可用性差、推广支持薄弱、市场欠发达、与主要主食作物的竞争以及政策支持不足。因此，虽然未充分利用作物在气候智慧型和农业生态型农业系统中显示出相当大的潜力，但其贡献将取决于更强的研究投资、作物特定的管理指南、改进的种子系统、价值链发展和有利的政策框架。
4.1 缺水系统中未充分利用作物研究关注度的增长
本综述显示，科学界对未充分利用作物作为缺水农业系统中土壤健康和水分利用效率潜在贡献者的兴趣日益增长。2017年以来出版物增加，2025年记录产出最高，表明这些作物在气候智慧型农业、农业生态学和可持续集约化研究中越来越被认可。这一趋势可能与对干旱、土壤退化、作物多样性下降和雨养农业系统脆弱性的日益关注有关。它也可能反映了更广泛的制度和政策努力，包括联合国和粮农组织等国际组织促进气候韧性作物和可持续粮食系统的举措。然而，研究的地理分布不均表明证据仍集中在少数几个国家，特别是南非、马来西亚、尼日利亚、印度和巴基斯坦。因此，需要更广泛的区域代表性，特别是来自旱地和半干旱地区的代表性，在这些地区未充分利用作物可能具有很强的实际相关性。
4.2 作物特定证据与土壤健康潜力
综述的证据表明，研究主要集中在少数几组未充分利用作物上，特别是班巴拉花生、豇豆、高粱、黍稷和珍珠粟。这种模式反映了耐旱豆科和禾谷类作物在低投入和水限农业系统中公认的价值。班巴拉花生和豇豆与生物固氮、养分循环和改善土壤肥力密切相关，支持它们在减少对外部肥料投入依赖和改善贫瘠土壤生产力方面的潜在作用。黍稷与土壤有机碳、保水性、生物活性和轮作效益相关，表明当整合到多样化种植系统中时，它可能对土壤健康做出贡献。苋菜在低资源系统中也显示出潜力，特别是与豇豆间作时，报告了改善的土地利用效率和营养产量。这些发现表明，未充分利用作物可以通过氮输入、残留物归还、改善养分循环、根系介导效应和增加作物多样性来促进土壤健康。然而，证据对于土壤化学肥力指标（如土壤养分状况和氮有效性）以及生物固氮仍然比物理和生物指标（如土壤结构、团聚体、侵蚀控制和微生物活动）更强。这是一个重要的空白，因为土壤健康是多维度的，不能仅通过肥力指标来完全评估。然而，对于仅由少数研究代表的作物，特别是非洲山药豆、非洲龙葵和苋菜，这些发现应谨慎解释。对于这些作物，现有证据仍然太有限，无法支持广泛的概括，其潜在的土壤和水分利用效益需要通过在不同缺水农业生态区的长期、作物特定田间研究进一步验证。
区分对贫瘠土壤的耐受性和对土壤肥力的改善是很重要的。一种养分需求相对较低的作物不一定增加土壤养分储量。本综述中确定的直接促进肥力的机制主要发生在豆科作物中，特别是班巴拉花生和豇豆，通过共生生物固氮和随后的养分循环。当地上和地下残留物被保留时，可能产生额外效益，允许有机养分重新进入土壤。相比之下，黍稷、珍珠粟和高粱等非豆科禾谷类作物不直接向土壤添加大气氮。它们的潜在贡献更恰当地归因于根和残留物输入、土壤覆盖、养分循环以及它们在轮作或间作中的作用，而这些效应强烈依赖于生物量生产和残留物管理。
4.3 水分利用效率与对水资源短缺的适应
水分利用效率、耐旱性和雨养表现作为报告指标的主导地位表明，未充分利用作物主要是在与水限环境适应相关的背景下被研究的。班巴拉花生、豇豆、黍稷和珍珠粟 consistently 与耐旱性、水分生产力以及在低降雨或雨养条件下维持生产的能力相关。这些性状对于灌溉获取有限、作物失败风险高的小农户和旱地农业系统尤为重要。研究结果还表明，水分利用效益是作物特异的。例如，班巴拉花生和豇豆将干旱适应与通过固氮带来的土壤肥力效益相结合，而黍稷则因其在热和水分胁迫下维持生产力的能力而受到重视。苋菜在干旱条件下既显示韧性也显示生理敏感性，表明其表现可能强烈依赖于水资源可用性、氮状态和管理条件。因此，未充分利用作物不应被视为一个统一的群体；它们对水分利用效率的贡献取决于作物生理、生产环境、管理实践和所测量的具体水分指标。
然而，应区分耐旱性与增加的生物量生产或直接的土壤改善。在严重水分胁迫下，适应干旱的作物也可能经历地上生物量和残留物产量的显著降低。它们在这种条件下的优势主要在于维持相对更大的生理功能、产量稳定性或每单位可用水的生产力，而不是产生更大的生物量。因此，土壤有机质、团聚体或生物活性的潜在改善不是耐旱性的自动结果。这些效益取决于归还土壤的根和残留物生物量，以及残留物保留、间作、轮作和有机改良等互补管理实践。
4.4 作物功能在缺水农业生态中的具体相关性
这些作物性状的重要性必须相对于缺水农业生态的主要制约因素来解释。本综述没有直接比较干旱或半干旱环境与湿润环境中作物效应，因此没有证明未充分利用作物在旱地中更大程度地改善土壤健康。相反，它们的功能相关性在不同环境中有所不同。在干旱和半干旱系统中，低且可变的降雨量、高蒸散需求和反复出现的土壤-水分亏缺使水分利用效率、耐旱性、降雨利用效率和产量稳定性成为特别重要的性能属性。土壤过程也与水分可用性密切相关，因为长期干燥可能限制养分扩散、有机质分解和微生物活动。在这些条件下，能够在较低水分可用性下维持生产的作物可能降低作物失败风险，而豆科植物可以在肥料获取受限的地方提供生物固定的氮。在更湿润的环境中，水资源短缺可能不那么占主导地位，其他制约因素，包括多余水分、养分淋溶、病害压力或土壤排水，可能变得更加重要。因此，本综述中未充分利用作物的价值在于它们在特定背景下对生产稳定性和资源利用效率的贡献，而不是相对于在其他农业生态区种植的作物的普遍优越性。
4.5 未充分利用作物、土壤健康、水分利用效率和气候智慧型农业之间的概念联系
未充分利用作物对缺水农业系统的贡献可以通过相互关联的作物-土壤-水分途径来理解（图8）。作物功能特征，包括豆科作物的生物固氮、耐旱性、根系发育、物候适应和生物量或残留物生产，可以影响土壤过程，如养分循环、有机质输入、根际生物活动、土壤覆盖，以及在适当管理下的土壤结构和保水性。这些土壤过程与作物水分利用性状相互作用，影响植物可利用水、蒸腾效率、水分生产力和产量稳定性。在气候智慧型农业框架内，这些相互作用通过支持在水和养分制约下的生产和减少对降雨变率的脆弱性，最直接地促进了生产和适应支柱。潜在的减缓协同效益可能通过增加土壤有机碳输入或减少豆科系统中对合成氮肥的依赖而产生。然而，在综述的证据中，温室气体排放、净碳封存或其他减缓指标的直接测量有限；因此，减缓应被解释为潜在的协同效益，而不是 consistently 证明的结果。
本综述的一个关键发现是，未充分利用作物有潜力支持多个气候智慧型农业目标，特别是适应、生产和可持续性。它们的重要性不仅在于它们在水分胁迫下生存的能力，还在于它们改善土壤肥力、支持多样化农业系统和减少低投入环境中脆弱性的能力。豆科未充分利用作物可以改善氮有效性和土壤肥力，而耐旱的禾谷类和假禾谷类作物可以支持雨养条件下的稳定生产。总之，这些功能将未充分利用作物定位为加强农业生态系统韧性的实用选项。与保护性农业、改善灌溉、精准农业和改善投入品使用等主流气候智慧型农业实践相比，未充分利用作物应被视为一种补充性的作物多样化策略，而非替代品。改善灌溉和精准农业可以直接增强水分输送、投入品效率和农场层面的决策，但它们通常需要资源受限农民可能难以获得的基础设施、财务投资和技术能力。保护性农业可以改善土壤覆盖、减少扰动并支持土壤保水，但其有效性取决于当地适宜的管理、残留物可用性和农民能力。相比之下，未充分利用作物通过生物和生态功能做出贡献，包括耐旱性、生物固氮、养分循环、残留物归还和对边际土壤的适应。因此，它们在更广泛的CSA工具箱中的主要优势在于其作为低投入、本地适应选项的潜力，可以整合到轮作、间作系统和雨养生产系统中，以补充现有的土壤和水分管理实践。然而，大多数研究强调作物层面的性状，如耐旱性和水分利用效率，而直接评估整合的土壤-水分过程（如土壤保水能力、灌溉需求、微生物活动、土壤团聚体和侵蚀控制）的研究较少。这限制了对长期土壤恢复或景观尺度水分效益得出强有力结论的能力。未来的研究应使用整合的土壤-作物-水分指标来评估未充分利用作物如何随时间影响土壤健康、水分动态和系统韧性。
4.6 缺水系统中作物整合的跨领域障碍
尽管有潜力，未充分利用作物的更广泛整合仍然受到系统性障碍的制约。最常报告的挑战是与主要主食作物的竞争、政策支持不足、农艺知识有限、推广支持薄弱、种子可用性差和市场需求薄弱。这些制约因素表明，未充分利用作物之所以被忽视，不是因为它们缺乏价值，而是因为它们在正式研究、育种、投入品供应、推广、市场和政策系统中仍处于边缘地位。农艺知识有限降低了农民优化种植密度、施肥、灌溉、收获和病虫害管理的能力。种子可用性差通过限制优质和本地适应种植材料的获取进一步制约了采用。市场需求薄弱阻碍了农民将这些作物分配土地，即使它们在农艺上适宜。类似地，推广支持有限意味着农民可能无法获得关于如何管理这些作物以获得土壤和水分效益的充分技术指导。解决这些障碍需要农艺研究、参与式育种、社区种子系统、推广培训、价值链发展和政策认可方面的协调投资。
本综述中确定的障碍并非干旱和半干旱农业独有；种子供应、推广、市场、农艺知识和政策支持方面的限制在许多农业系统中都存在。然而，它们的影响在缺水环境中可能特别重要。短且不可预测的降雨窗口增加了及时获得可行种子和当地适宜种植建议的重要性。有限的技术知识也可能制约种植日期、作物建立、残留物管理和可用时补充灌溉的决策。类似地，在高气候风险下经营的农民可能不愿意将稀缺的土地、劳动力和水资源分配给市场和制度支持仍不确定的作物。因此，这些障碍与缺水系统的相关性不在于其排他性，而在于它们与已经有限且多变的生产资源的相互作用。
4.7 对研究、政策和实践的影响
将未充分利用作物的潜力转化为可衡量的农业影响将需要研究、政策和实践的协调行动。研究结果表明，未充分利用作物应定位为气候智慧型和农业生态型农业系统的功能组成部分，而不仅仅是次要或替代性粮食作物。将它们整合到作物轮作、间作系统、保护性农业和低投入生产系统中，可以在缺水环境中支持土壤肥力、水分利用效率、饮食多样性和韧性。然而，只有研究和政策超越一般性推广并提供作物特定的证据、管理指南和制度支持，这种潜力才能实现。未来的研究应优先在不同农业生态区进行长期田间试验，同时测量产量、水分利用效率、土壤有机碳、固氮、微生物活动、土壤水分和土壤物理性质。还应更多关注研究较少的作物，如非洲山药豆、非洲龙葵和苋菜，它们可能提供重要的营养和生态效益，但在文献中代表性不足。从政策角度看，未充分利用作物应纳入气候智慧型农业战略、粮食安全计划、种子系统开发和土地恢复倡议。
4.8 研究局限性
尽管强调了未充分利用作物在缺水农业系统中的重要作用，本综述也确定了证据基础可以加强的领域。首先，综合仅限于2014年至2025年间发表的同行评审英语文章。因此，以其他语言发表的相关研究、灰色文献、学位论文、技术报告和当地农业知识来源可能未被捕获。这一点特别重要，因为许多未充分利用作物是在不一定能充分代表于索引科学数据库中的当地或非正式农业系统中保存、研究和使用的。其次，纳入的研究在作物类型、研究设计、农业生态背景、测量指标和报告方法方面各不相同。这种多样性反映了未充分利用作物被研究和种植的广泛背景，但也限制了进行定量荟萃分析的可能性。因此，使用叙述性综合来识别关键模式、主题和证据空白，而不是汇总效应量。第三，证据并非在所有作物物种和国家中均匀分布。班巴拉花生、豇豆、高粱、黍稷和珍珠粟等作物更频繁地被代表，而非洲山药豆、非洲龙葵和其他未充分利用物种受到较少关注。类似地，研究产出集中在少数几个国家，这可能影响研究结果在不同缺水农业生态区中的普遍应用程度。最后，许多研究侧重于作物层面的性状，如耐旱性、水分生产力、固氮和土壤肥力，而评估长期土壤物理、化学和生物指标的研究较少。未来纳入更广泛的土壤-水分相互作用、微生物过程、土壤结构、团聚体、侵蚀控制和景观尺度韧性的研究将有助于更全面地理解未充分利用作物在可持续农业系统中的作用。还应优先考虑相对研究不足的作物以及在相同土壤、降雨和管理条件下与主要主食作物的直接比较。对于实际实施，应根据已证明的功能优势来推广未充分利用作物，而不是作为一个同质的作物类别。这需要获得本地适应种子、作物特定农艺建议、推广支持和可行市场，并结合它们在轮作、间作和其他多样化旱地生产系统中的定向使用。这种基于证据的方法将使未充分利用作物能够补充而非替代缺水农业中既定的土壤和水分管理实践。
4.9 未来研究展望
未来的研究应将未充分利用作物从农业科学的边缘带到土壤、水分和韧性研究的中心。需要长期、基于田间的研究来评估这些作物在不同农业生态区、土壤类型、降雨制度和农业系统中的表现。这将提供对未充分利用作物如何随时间影响土壤-水分-作物相互作用的更完整理解。还应更多关注研究较少的作物，如非洲山药豆、非洲龙葵、苋菜和其他当地重要物种。这些作物可能提供重要的营养、生态和韧性效益，但在当前证据基础中代表性不足。未充分利用作物与主要主食作物之间的比较研究也有助于阐明它们在水限和低投入条件下的相对优势。未来的研究应进一步审视影响采用的社会经济和制度因素，包括种子系统
