豆科–小麦间作系统在埃及亏缺灌溉下对土壤质量与资源利用效率的再生效益

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Regenerative benefits of legume–wheat intercropping systems on soil quality and resource-use efficiency under deficit irrigation in Egypt

　　

背景：土壤退化与水资源短缺是干旱及半干旱地区可持续谷物生产的主要限制因素。豆科–小麦间作可能同时改善土壤质量与资源利用效率，但其在亏缺灌溉下的再生表现仍缺乏定量评估。 方法：研究人员于2021/22与2022/23年在埃及中部明亚省（El-Minia Governorate）开展两年田间试验，采用裂区设计、三次重复。主区为三种灌溉制度，即100%、85%与70%作物蒸散量（ETc）；副区为单作小麦，以及小麦分别与蚕豆（faba bean）、豌豆（pea）、法尔三叶草（fahl clover）间作。研究人员测定了土壤有机质、速效氮磷钾、土壤pH、土壤质量指数（SQI）、作物产量、土地当量比（LER）、水分当量比（WER）及用水量变化（ΔWU）。 结果：所有豆科–小麦间作系统相较单作小麦均显著提高土壤有机质与速效大量元素养分。蚕豆–小麦通常对土壤性质与SQI改善最大，且间作的有益效应在重度亏缺灌溉（70% ETc）下依然存在。豌豆–小麦获得最高总LER（1.39）与WER（1.26），同时小麦籽粒产量最高，ΔWU为-20.48%。 结论：豆科–小麦间作在亏缺灌溉下提升了土壤质量、土地利用效率与水分利用效率。结果表明，将豆科整合进小麦系统可作为一种实用再生策略，提升缺水环境下小麦系统的生产力与韧性。

研究背景方面，土壤退化已成为现代农业生产中的紧迫挑战，尤其在集约化谷物生产系统中。长期小麦连作会通过养分耗竭、结构恶化、紧实化和土壤有机质丧失加速土壤退化；持续化肥投入还会引发酸化、盐渍化及生物活性受抑。与此同时，干旱与半干旱地区水资源短缺制约谷物可持续发展。再生农业强调重建土壤有机质、促进生物多样性、改善养分循环并增强生态功能，而生物固氮（BNF）是其核心过程之一。豆科与根瘤菌等固氮微生物共生，可将大气二氮转化为植物可利用铵态氮，从而减少高能耗合成氮肥依赖。作物多样化可提高光、水、养分利用率与抗逆性，其中豆科基多样化通过BNF介导的氮富集和刺激土壤生物活性支持退化土壤生物修复。豆科–小麦间作可提供有机残体和根系碳输入，促进土壤有机质积累与固碳。已有埃及研究多关注生产力与经济收益，对亏缺灌溉下土壤健康再生效益、有机质积累、养分生物有效性与资源利用效率的定量认识不足，因此研究人员开展本研究以评估豆科–小麦间作在梯度亏缺灌溉下的再生潜力。

该论文发表在《Frontiers in Sustainable Food Systems》。研究人员在埃及中部明亚省开展两年冬播试验，设100%、85%、70% ETc三种灌溉处理，并以单作小麦及小麦间作蚕豆、豌豆、法尔三叶草为种植系统，测定土壤与资源效率指标，结论是豆科–小麦间作可在缺水条件下兼顾土壤修复、土地利用效率与水分利用效率，是小麦系统向再生农业转型的可行路径。

主要关键技术方法方面，研究人员采用裂区设计、三次重复，主区为灌溉制度，副区为种植系统；以FAO-56作物系数法估算ETc，用时域反射仪（TDR）测定0–60 cm剖面体积含水量并计算季节耗水量（WCU），按喷灌系统应用效率与淋洗需求计算灌水量（AIW）；土壤有机质由Walkley–Black湿氧化法测土壤有机碳后乘1.724得到，速效氮、磷、钾分别按micro-Kjeldahl、氯化亚锡比色、1 N NH₄OAc提取后ICP–AES测定；SQI由有机质、速效N、P、K与pH五项等权线性评分构建；生产力效率用LER、WER与ΔWU评价；统计采用裂区ANOVA与LSD_0.05检验。

研究结果方面，土壤有机质部分显示，种植系统显著影响其含量，灌溉主效应与交互效应不显著；所有间作系统均高于单作小麦，蚕豆–小麦最高，FI下较单作小麦高32%，亏缺灌溉降低绝对值但间作仍优于单作。土壤养分动态中，速效氮部分表明间作提升可用氮，蚕豆–小麦最高，法尔三叶草–小麦与单作小麦无统计差异，亏缺灌溉降低氮供应。速效磷部分表明灌溉、种植系统及交互均显著，所有间作均高于单作小麦，蚕豆–小麦最高，DI下磷下降。速效钾部分表明交互显著，间作提升幅度大于氮磷，蚕豆–小麦最高，第二季高于第一季且经重复测量检验支持。土壤pH部分表明仅灌溉显著，pH随亏缺加重而下降，间作数值上低于单作小麦但种植系统差异不显著。土壤质量指数部分表明灌溉、种植系统及交互均显著，蚕豆–小麦在全部灌溉下SQI最高，间作整体优于单作小麦。作物生产力部分表明小麦籽粒产量受灌溉显著影响，豌豆–小麦在第一季具产量优势；间作系统通过种间互补提升总产出，豌豆–小麦LER与WER最优且ΔWU为负，表示以少于单作预测水量获得更高综合产出。

讨论部分总结而言，研究人员指出单作小麦系统在高投入下仍难逆转砂土有机质低下与养分透支，而低密度豆科伴作通过BNF、残体归还和根系碳输入改善土壤肥力与结构。蚕豆因固氮能力强，对SQI与速效养分提升最明显；豌豆在土地与水效率上更平衡；法尔三叶草可作低竞争伴生作物。亏缺灌溉虽降低生物量与有机质输入，但间作再生效应未消失，说明豆科整合可增强小麦系统对水分胁迫的韧性。该方法学上SQI等权线性评分能提供综合土壤健康视图，但批量密度与EC因仅有播前基线未被纳入。研究意义在于为埃及及同类旱区提供可落地的再生农业实践：在不显著牺牲小麦产量的前提下修复土壤、节约灌溉水、提高系统稳定性。

结论部分翻译如下：豆科–小麦间作在亏缺灌溉下增强了土壤质量、土地利用效率与水分利用效率。结果表明，将豆科整合到小麦系统中，可提供一种实用的再生策略，用于改善缺水环境下小麦基系统的生产力与韧性。