《Agronomy Journal》：Impact of crop sequence on cereal yield and soil health in shallow dryland soils
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在美国北部大平原及类似的半干旱地区，鼓励多样化小粒谷物生产系统。研究人员的目的是确定作物序列如何影响蒙大拿州中部浅层旱地土壤中的小粒谷物作物病害、谷物产量和土壤生物学。2018年和2019年采用条区试验设计（strip plot design）种植大麦（Hor
在美国北部大平原及类似的半干旱地区，鼓励多样化小粒谷物生产系统。研究人员的目的是确定作物序列如何影响蒙大拿州中部浅层旱地土壤中的小粒谷物作物病害、谷物产量和土壤生物学。2018年和2019年采用条区试验设计（strip plot design）种植大麦（Hordeum vulgare L.）、油菜（Brassica napus L.）、田间豌豆（Pisum sativum L.）、扁豆（Lens culinaris Medik.）和硬红春小麦（Triticum aestivum L. emend. Thell.），以便在第二年形成25种不同的2年序列。这些2年序列于2020–2021年和2022–2023年在相同条区内重复。作物病害极少且不受前茬作物影响（p = 0.30）。年份与当季作物以及年份与前茬作物之间检测到对谷物产量的交互作用（p < 0.05），但未检测到当季作物与前茬作物（p = 0.96）或年份、当季作物与前茬作物之间的交互作用（p = 0.95）。大麦产量在4个年份中与其他作物相当或更高，田间豌豆和春小麦在3个年份中，扁豆在2个年份中。前茬作物仅在极干旱年份影响产量，当时作物在低残留田间豌豆之后比高残留禾谷类作物之后产量更低。细菌和真菌多样性受作物序列影响，但仅限于占土壤微生物群落<1%的属。研究结果表明，在浅层旱地土壤上建立谷类–豆类及谷类–油料作物序列4年后，可能不会出现产量与土壤健康方面的益处。
在美国北部大平原的半干旱旱地农业区，小麦和 barley 连作或与休闲期交替是传统做法，但长期休闲带来土壤退化问题，促使研究者探索作物多样化，例如将豌豆、扁豆等豆类作物或油菜等油料作物引入以小麦和 barley 为主的种植体系。已有研究显示作物多样化可能带来病害抑制、杂草控制及土壤健康改善等益处，但这些效应在浅层土壤（深度 ≤650 mm）和干旱条件下是否成立尚不清楚。蒙大拿州中部广泛分布浅层石质土壤，其储水能力有限，休闲的蓄水优势微弱，因此需要评估在该类土壤上重复的2年作物序列（如小麦–豌豆）对谷物产量、病害、杂草压力、土壤养分和微生物群落的实际影响。为此，研究人员于2018年至2024年在蒙大拿州立大学中央农业研究中心（Central Agricultural Research Center, CARC，位于朱迪斯盆地县，47°03′ N, 109°57′ W，海拔1400 m）开展田间试验。该地区属冷半干旱气候（BSk），长期（2003–2024）年均气温6.7°C，年均降水344 mm，约65%集中在4–8月。试验地土壤为 Danvers 和 Judith 复合黏壤土，含大量砾石，有效土层浅薄。研究人员在免耕条件下种植大麦（Hordeum vulgare L.）、油菜（Brassica napus L.）、田间豌豆（Pisum sativum L.）、扁豆（Lens culinaris Medik.）和硬红春小麦（Triticum aestivum L. emend. Thell.）五种作物，采用条区设计（strip plot design）构建5×5作物矩阵，形成25种可能的两年序列。2018年和2019年建立序列，随后在2020–2021年和2022–2023年重复相同序列，共完成三轮。试验期间测定了土壤硝态氮（NO??）和硫（S）、作物密度、杂草生物量及杂草压力、谷类作物病害、籽粒产量、种子重量和春小麦蛋白质含量；同时在2023年收获后和2024年小麦生长期及收获后采集土壤样品，进行细菌16S V4-V5和真菌ITS2区域的高通量扩增子测序，分析微生物α多样性和β多样性、群落组装过程（βNTI、RCbray）以及差异丰度分类群（LEfSe）。
农艺变量结果表明，年份（环境）是影响各指标的主导因素。土壤N和S主要受年份与前茬作物交互作用影响，但未检测到当季作物与前茬作物间的交互效应。土壤N在干旱年份（2021–2022）因施氮量超过作物吸收而累积，且春小麦茬后土壤N高于其他作物，这与春小麦较高的施氮量有关。作物密度仅在2021年干旱年份受前茬作物影响，表现为谷物连作后的密度低于谷物前茬为豆类或油料作物时的密度。杂草压力在禾谷类作物（大麦、春小麦）地块中低于双子叶作物（油菜、豌豆、扁豆），前茬作物对杂草压力无一致影响，仅发现大麦前茬为豌豆时杂草压力高于大麦连作这一孤例。谷类作物病害在2021–2023年均处于极低水平，既不受当季作物也不受前茬作物影响，可能因干旱环境不利于病害发展，且单年间隔不足以产生病害抑制作用。谷物产量方面，年份与当季作物及年份与前茬作物存在交互作用，当季作物与前茬作物间无交互作用。大麦在多数年份产量优于或相当于其他作物；前茬效应仅在2022年严重干旱时出现，即所有作物在豌豆茬后的平均产量低于大麦或春小麦茬后，这与禾谷类作物残茬较多、利于保水有关。种子重量和春小麦蛋白质含量受年份影响，但前茬作物无显著作用。
土壤生物学变量方面，细菌和真菌α多样性（Shannon指数）在不同作物序列间无差异，但细菌α多样性受采样日期影响。PERMANOVA分析显示细菌和真菌β多样性在作物序列和采样日期间均有显著差异（p < 0.01），但无交互作用。优势菌门为放线菌门（Actinomycetota）和假单胞菌门（Pseudomonadota），合计占80%以上；真菌中子囊菌门（Ascomycota）占90%以上。LEfSe分析识别出少数差异丰度属，例如细菌属Arthrobacter（微球菌科）在扁豆相关序列中丰度较高，真菌属Neocamarosporium在含油菜或扁豆的序列中丰度较高，但这些差异宏基因组属的相对丰度多低于1%，对整体群落功能影响有限。群落组装分析表明，细菌和真菌的群落组装以随机过程（扩散限制、同质化扩散和漂变）为主导，贡献超过90%；确定性过程（异质选择）在真菌群落中占一定比例。作物序列相比单作增加了细菌的同质化扩散，但总体而言，各序列的微生物群落结构差异微小。
讨论部分强调，本研究中作物序列对产量的促进作用仅在特定干旱年份以负面形式出现（豌豆茬降低后作产量），而预期的谷物–豆类或谷物–油料序列增产效应未得到证实。这与此前一些在较深土壤或湿润年份的研究结果不同，说明作物序列效应高度依赖环境条件。土壤养分管理（如化肥用量和种类）与作物序列效应交织，难以单独分离前茬作物影响。土壤微生物群落虽对作物序列有统计显著响应，但差异集中于低丰度类群，且功能冗余可能抵消这些变化对生态系统功能的实际影响。结论指出，在浅层旱地土壤上，粮食–豆类及粮食–油料作物序列在建立后的最初4年内未一致地提高大麦或春小麦产量，也未显著改善土壤健康。研究结果不应被解释为作物序列普遍无益，而是说明在半干旱浅层土壤中，作物序列益处需要更长时间或不同条件才能显现。未来需要长期试验、更频繁的监测以及引入微区试验和人工智能模型，以解析土壤水分、残茬、养分和微生物功能等机制，从而预测并优化作物序列设计，实现北美及全球浅层旱地农业的可持续生产。
