在长期蔬菜轮作体系中，通过部分有机肥替代促进可持续集约化

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Enhancing sustainable intensification via partial organic fertilizer substitution in a long-term vegetable rotation system

　　

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  对土壤健康、蔬菜产量和温室气体排放的综合评估。
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  部分有机肥替代改善了土壤化学和生物学性质。
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  部分有机肥替代通过降低NH₄⁺-N含量和提高pH值减少了N₂O排放。
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  部分有机肥替代将可持续性指数提高了45.5%。

引言

再生农业作为一种可持续农业范式，日益受到关注，它有望应对土壤退化（UNCCD, 2022）、气候变化和全球粮食安全（FAO, 2022）等相互关联的挑战，因为再生农业综合促进了土壤保护、生态系统恢复和产量韧性（Dewi等，2025）。Lal（2020）强调，再生农业的基础原则是"以少产多"，即通过减少土地使用、减少化学投入品、降低用水量、减少温室气体排放和降低土壤退化风险来实现更高的生产力。支持再生农业的核心实践包括免耕或少耕制度、多样化轮作、覆盖作物种植、作物秸秆留茬覆盖以及有机肥的使用（Han等，2021；Lal, 2020）。

蔬菜轮作是华南地区的主要作物制度，该地区太阳能、热量和水资源充足。然而，中国的蔬菜生产体系存在明显的效率低下问题，仅占全球耕地的1.7%，却消耗了全球化学肥料（CF）的7.8%和作物相关温室气体总排放量的6.6%（Wang等，2021）。在高价值、高产量蔬菜系统中，过度依赖化学肥料尤为成问题，这些系统的特征是高养分和肥料需求（Wang等，2022a；Wang等，2022b）。与此同时，尽管中国每年估计约有7500万吨有机养分潜力，但由于技术和物流方面的持续限制，超过60%仍未得到利用（Xie, 2023；Zhang等，2022）。在蔬菜生产系统中，用有机投入品部分替代化学肥料（称为"部分有机肥替代"）非常重要，因为它提供了直接应对过度依赖合成肥料和资源利用效率低下双重挑战的机会。在中国农业体系中，部分有机肥替代已被积极推广，作为减少对合成肥料依赖和支持向环境可持续食品生产转型的重要策略（中华人民共和国农业农村部，2021；中华人民共和国农业农村部，2015）。

已知部分有机肥替代通过向土壤提供外源碳输入和矿质养分来改善土壤性质。大量证据支持其增强土壤有机碳（SOC）积累的能力（Ashraf等，2023；Luan等，2019；Maillard和Angers, 2014；Tang等，2022；Wang等，2024；Xia等，2017；Xu等，2025b），尽管其机理解释存在较大差异。虽然一些研究者将此归因于活性碳组分的增加（Luan等，2019），但越来越多的证据表明，这种积累主要由被动碳库的形成所驱动（Ashraf等，2023；Li等，2023；Xu等，2025a；Xu等，2025b）。此外，部分有机肥替代已被发现能够提高微生物分类和功能多样性（Tang等，2022；Zhang等，2023）以及土壤肥力指数（该指数基于八项土壤化学性质进行评估）（Wang等，2024）。尽管已有大量研究探讨了部分有机肥替代对单个土壤参数或特定类别性质的影响，但关于其对土壤健康整体影响的系统性认知仍存在明显空白，而土壤健康是一个涵盖物理、化学和生物学维度的综合性概念（Wang等，2024）。

此前的研究表明，部分有机肥替代可以提高谷物作物产量（Chivenge等，2011；Wang等，2024；Xu等，2025a；Xu等，2025b），主要通过改善土壤性质实现（Xia等，2017）。然而，在蔬菜生产系统中，有机投入品带来的氮素缓释已被证明会导致中性甚至负面的产量响应（Pincus等，2016；Siegfried等，2013）。因此，优化替代比例以平衡有机和无机养分来源对于蔬菜种植至关重要（Zhang等，2020）。最近的一项研究表明，用有机肥替代25%和50%的化学氮，与单独施用化学肥料相比，可使叶菜类蔬菜产量提高38%–47%（Tang等，2022）。尽管已有大量研究探讨了部分有机肥替代与作物产量的关系，但大多数研究侧重于谷物作物而非蔬菜，尤其是在与蔬菜生产相关的田间条件下。

施肥氮占集约化蔬菜生产系统中氧化亚氮（N₂O）总排放量的约70%（Ni等，2021）。因此，制定优化的肥料管理策略对于有效减少N₂O排放至关重要，特别是通过平衡合成肥料和有机投入品，同时维持蔬菜生产力。此前两项独立的荟萃分析一致报告，在高旱地作物系统中，无论替代比例如何，部分有机肥替代对土壤N₂O排放均无显著影响（Xia等，2017；Zhang等，2020）。然而，较新的研究表明，在高氮肥施用率下，部分有机肥替代可能增加N₂O排放（Ni等，2021；Qasim等，2021），主要是因为有机投入品增加了土壤碳和氮的供应，从而增强了硝化和反硝化过程。相比之下，越来越多的研究已表明，部分有机肥替代也可能成为减少N₂O排放的有效策略（Shao等，2021；Xu等，2025a；Xu等，2025b），其机制包括：(1) 植物可利用氮的缓慢释放（Geng等，2021）；(2) 抑制细菌氨氧化过程并刺激反硝化途径（Li等，2021；Qasim等，2021；Tang等，2022）；以及(3) nosZ和nosZII基因丰度的增加（Han等，2024；Xu等，2023）。值得注意的是，大多数现有研究结果来自受控温室实验，揭示了蔬菜生产系统中田间管理的长期有机-无机配施制度下N₂O通量动态的关键知识空白，尤其是在轮作背景下。

综上所述，现有证据——主要来自短期或受控温室研究——表明部分有机肥替代具有维持作物生产力的潜力，同时改善土壤健康并减少温室气体（GHG）排放，从而凸显了作为再生农业策略的前景。然而，基于田间的长期蔬菜轮作系统综合评估仍然有限，特别是在生态、农艺和环境维度之间的权衡和协同效应方面。我们假设，部分有机肥替代在维持蔬菜产量的同时改善土壤健康并减少温室气体排放，从而增强农业生态系统可持续性，成为长期蔬菜轮作系统中再生农业的有效组成部分。因此，基于在湿润亚热带地区进行的13年田间试验，本研究旨在通过系统评估用有机肥替代50%化学氮对土壤健康、蔬菜产量和温室气体排放的影响，进行土壤-作物-温室气体综合评估。

章节摘要

研究地点、实验设计与农事操作

本研究在中国广东省广州市的国家农业科技园区（东经113°44′，北纬23°40′）进行，隶属于广东省农业科学院。实验地点为土壤质量广州田间科学观测研究站，建立于2009年，用于监测不同施肥制度和作物轮作处理下的长期土壤质量。2009年，表层土壤的基准理化性质

土壤性质

不同施肥处理下0–20 cm层土壤理化性质的结果见表2。与CK相比，CF+OF和CF处理均显著降低了BD，而CF+OF与CF处理之间无显著差异。与CF相比，CF+OF处理的砂粒含量显著较高，而黏粒含量显著较低。CF处理下的土壤pH值显著低于CK和CF+OF处理。在

部分有机肥替代对土壤健康的影响

现有文献表明，部分有机肥替代可有效降低土壤BD，主要通过增强土壤团粒稳定性和形成实现（Ren等，2024；Zhou等，2013）。在本研究中，与CK相比，CF+OF处理显著降低了土壤BD；然而，CF+OF与CF处理之间未观察到统计学显著差异（表2）。这种相似性可能是由于两种施肥制度都为微生物活动提供了充足的养分以及

结论

本研究系统评估了不同施肥策略对土壤健康、蔬菜产量和温室气体排放的影响。13年连续CF+OF制度实现了最高的可持续性指数，表明其支持可持续农业集约化的潜力。具体而言，CF+OF显著改善了关键土壤性质——包括pH、CEC、SOC、TN、TP、AN、NO₃^?-N和微生物活性——这些性质共同使土壤健康指数提高了14.3%。尽管

CRediT作者贡献声明

Gong Yingting：初稿撰写、可视化、方法学、基金获取、形式分析、数据整理、概念构思。Wang Siyuan：方法学、调查研究、基金获取。Wang Ronghui：方法学、调查研究、数据整理。Yao Jianwu：调查研究、数据整理。Li Mengjun：方法学、调查研究、形式分析、数据整理。Shen Jian：修改与编辑、可视化、软件、形式分析。Lin Tingrui：调查研究、形式分析，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（42307455和42277259）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010270）、广东省农业科学院引进科技人才专项资金（R2022YJ-YB3008）、广东省农业科学院农业资源与环境研究所科技创新平台项目（ZHS2023–03）以及2022年

Yingting Gong | Siyuan Wang | Ronghui Wang | Jianwu Yao | Mengjun Li | Jian Shen | Tingrui Lin | Shaoying Ai