耦合强化推拉（push–pull, PP）技术与黑水虻虫粪（black soldier fly frass, BSFFF）生物施肥提升土地生产力、蛋白产量及碳储量

《npj Sustainable Agriculture》：Coupling intensified push–pull technology with insect frass biofertilization improves land productivity, protein yield and carbon stocks

　　

研究人员评估了推拉（PP）技术、蔬菜集成推拉（vegetable-integrated push-pull, VIPP）技术及黑水虻虫粪肥料（BSFFF）等农业创新在撒哈拉以南非洲小农农业中的变革潜力。通过设立由玉米和豇豆两种主栽作物、BSFFF及多样化系统（PP与VIPP）组合而成的12种种植系统，研究人员开展了为期2年、多地点的田间试验，以评估其对作物生产力、经济效益及碳储量的影响。多样化种植使地上生物量、碳储量及总作物产量提高4.7–11.2倍，添加BSFFF后增幅进一步显著。多样化种植与BSFFF使玉米籽粒产量提高2倍以上，豇豆产量对BSFFF呈正向响应。多样化种植中高产贡献来自Desmodium（12.2–12.5 t/ha）与Brachiaria（2.3–2.4 t/ha）。多样化系统土地当量比（land equivalent ratio, LER）达2.0–3.3，小麦当量产量（wheat equivalent yield）为3.2–3.7，BSFFF贡献显著。最高蛋白产量出现在多样化系统，豇豆与Desmodium贡献突出。多样化种植年经济效益为6864–7681美元，加入BSFFF后达7528–8340美元。多维分析显示VIPP耦合BSFFF在所有指标上最优。作物多样化配合虫粪有机肥可改善系统生产力、经济收益、碳储存及潜在韧性与环境可持续性。

研究背景方面，撒哈拉以南非洲（sub-Saharan Africa, SSA）小农系统长期依赖单作与过量农化品，导致生物多样性丧失、土壤退化及经济压力，同时人口压力推高对粮食与饲料的需求。推拉（PP）技术利用Desmodium与Brachiaria释放的半化学物调控害虫行为，已被证实可协同管理害虫、杂草与土壤健康；蔬菜集成推拉（VIPP）进一步将高值蔬菜纳入其中。黑水虻虫粪肥料（BSFFF）作为有机改良剂，可经有机废弃物回收途径提升土壤微生物活性与养分有效性。此前两类措施多被孤立评估，其叠加与协同效应尚未量化。为此，研究人员在肯尼亚西部Busia、Homa Bay与Kisii三地开展2年（2024–2025）双季（长雨LR、短雨SR）田间试验，设12种系统（单作玉米/豇豆±农化品/BSFFF、PP±BSFFF、VIPP±BSFFF），采用嵌套裂区设计，以验证“作物多样化+虫粪有机肥”能否同步提升生产力、土地效率、碳储量与经济收益。论文发表于《npj Sustainable Agriculture》。

关键技术方法上，研究人员在肯尼亚西部三县（KALRO-Busia/Kisii、ICIPE-Homa Bay）布设嵌套裂区试验，4次重复，主区为5类基础系统，子区为12种作物配置；BSFFF以5 t/ha作基肥，农化品对照用DAP 250 kg/ha加靶标杀虫剂；生物量按作物分器官采样风干，碳储量以干物质乘各器官碳含量系数（如玉米秸秆22.2%、籽粒13.9%）并借根冠比推算地下部分；土地当量比（LER）按间作与单作产量比求和；小麦当量产量按价格折算；经济收益核算投入产出；多维决策采用加权求和模型（weighted sum model, WSM）与多准则决策分析（multi-criteria decision analysis, MCDA）排序。

研究结果部分，“统计摘要”显示作物产量、地上生物量、生物量碳储量、LER、小麦当量产量、总蛋白产量及经济效益在系统与季节间多数差异显著。“作物与蛋白产量效应”表明，BSFFF与农化品均显著提升单作玉米/豇豆产量；多样化系统总产较未处理单作提升4.7–11.2倍，VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF较未处理豇豆单作增产6.6倍、较未处理玉米单作增产8.5倍；蛋白产量以VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF最高，豇豆供人用蛋白、Desmodium供畜用蛋白为主。“地上生物量与碳储量效应”显示PP(玉米)+BSFFF地上生物量最高，Desmodium（10.3–12.9 t/ha）与玉米为主要贡献者；碳储量趋势同产量，BSFFF在多样化系统中使玉米生物量碳提升约1.5倍。“LER与小麦当量产量效应”中全部多样化系统LER>1，PP(玉米)+BSFFF达3.3，VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF达3.0；小麦当量产量在VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF达4.0，BSFFF普遍抬升各系统值。“经济效益贡献”显示VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF年收益8340美元居首，PP(玉米)+BSFFF为7528美元，单作玉米+BSFFF（4542美元）约为未处理单作（2431美元）的2倍。“多准则决策与排序”中VIPP(玉米+豇豆)+BSFFF综合得分最高，含BSFFF系统均优于无BSFFF对应系统。

讨论与结论翻译：作物多样化与有机土壤改良剂作为提升或维持作物生产力的可行策略日益受到关注。研究表明，在BSFFF与农化品处理下玉米和豇豆总生物量与产量较未处理单作近翻倍；BSFFF改善土壤有机质、有益动物区系、微生物活性与养分有效性。系统层面PP与VIPP提升总生物量、总产量与生物量碳储量，证实多样性优于单作。将BSFFF纳入多样化系统表现出有机养分输入与作物多样性的协同效应。空间上Homa Bay与Busia产量高于Kisii，时间上第2年与LR季更优，反映气候与累积土壤改良作用。LER>1证明间作资源利用效率更高，BSFFF进一步强化互补性。小麦当量产量与蛋白产量（人用靠豇豆、畜用靠Desmodium）在多样化+BSFFF下同步走高。年经济效益在VIPP+BSFFF最高，伴随Companion crops（Desmodium、Brachiaria）多年生特性降低再植成本。MCDA证明多样化+BSFFF多维最优。研究人员结论：集成BSFFF与PP/VIPP是气候智能型路径，可同步改善系统生产力、作物与蛋白产量、农户收入及碳储存，降低农化品依赖与碳足迹；后续需在典型小农地块规模与>2年尺度验证其韧性与环境可持续性，并建议政策制定者推广该集成模式。