全球粮食生产在平衡增产需求与环境可持续性方面面临着巨大挑战。为应对这些粮食生产和环境可持续性挑战，出现了具有多样化作物轮种的综合农业系统等创新概念。然而，人们对经济作物和豆类多样化种植系统如何实现三重目标-增加粮食产量、减少环境足迹和有益于土壤健康-知之甚少。在此背景下，科学家们在华北平原进行了为期六年的田间试验，展示了通过在传统谷物单一栽培(小麦-玉米)中加入经济作物(甜薯)和豆类(花生和大豆)来促进多样化的益处。
小编今天带来的这篇文献是中国工程院院士康绍忠团队在NatureCommunications上发表的题为Diversifying crop rotation increases food production, reduces net greenhouse gas emissions and improves soil health的文章，通过测试、设计、验证以指导华北平原建立一个更可持续的系统，以在保持或增加谷物和蛋白质产量的同时，减少对环境及土壤生态系统的损害。
译名：作物轮作多样化提高了粮食产量，减少了温室气体净排放，改善了土壤健康
期刊：Nature Communications
IF:15.7
本实验主要的测定指标：作物产量、经济学与营养学指标计算、土壤有机碳、全氮、硝态氮、氨态氮、有效磷、速效钾、pH值、容重、含水量、土壤微生物群落分析、温室气体排放计算、土壤健康评价、多功能综合评价等。
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1. 多样化的作物轮作提高生态系统生产力
本试验将不同科属粮食作物的产量统一折算为小麦当量进行比较，发现甘薯→冬小麦-夏玉米轮作的年当量产量较传统冬小麦-夏玉米双作提高38%，其经济效益增幅高达60%，而花生或大豆轮作的经济效益增幅为13–22%。蛋白质产量方面，黑麦草-高粱轮作和大豆轮作位居前列，较传统轮作高8–31%，其中大豆轮作系统的人类营养蛋白质产出最高。相反，纯谷物轮作的当量产量和蛋白质产量分别下降16%和23%。研究还指出，轮作中非谷物前茬作物对后续冬小麦-夏玉米具有显著持续正效应，使其产量、经济效益和蛋白质产量显著提升。
图1. 农业生态系统的生产力
2. 多样化的作物轮作减少温室气体净排放
该研究通过2016—2022年田间试验发现，与传统小麦-玉米轮作相比，多样化轮作模式（花生/大豆/甘薯→小麦-玉米）显著降低N₂O排放量30%-49%，并增强土壤CH₄吸收能力33%-76%，使直接温室气体增温潜势（GWP）减少32%-51%；同时0-90 cm土层碳固存速率提升至1.44-2.03 t C ha⁻¹ yr⁻¹（以花生轮作最高），可抵消75%-89%的温室气体排放，最终使净排放减少83%-92%。此外，小麦-玉米轮作的间接排放（高达8802 kg CO₂-eq ha⁻¹ yr⁻¹，而多样化轮作可降低此类排放34%-41%，凸显其在供应链环节的减排潜力。
图2. 不同轮作方式下的直接和间接温室气体排放量
3. 多样化的作物轮作提高土壤健康和微生物多样性
通过康奈尔土壤健康评估（CSHA）结合主成分分析（PCA）评估作物多样化轮作对土壤健康的影响，结果显示PCA前两个主成分累计解释70.5%的变异。经6年试验，花生→小麦-玉米轮作的土壤健康评分最高，其次为大豆→小麦-玉米和甘薯→小麦-玉米轮作，较传统小麦-玉米轮作提高41%–59%。其中花生轮作系统的土壤有机碳和溶解性有机碳分别提升6.5%和29.7%，但总氮和有效磷降低5.7%和15.4%，这与氮肥减施41%及养分利用效率提升有关。微生物多样性分析表明，豆科轮作的细菌操作分类单元丰富度和真菌香农指数显著增加，冗余分析揭示细菌群落与SOC、有效磷密切关联，而真菌群落受SOC、pH及DOC驱动，证实多样化轮作通过调控微生物群落结构增强土壤健康功能。
图3. 不同轮作制度土壤健康评价
图4. 轮作条件下土壤微生物群落多样性与土壤性质的关系
4. 多种作物轮作的多功能评价
该研究采用综合评估指数（CEI）的概念评估了不同轮作模式在产量、营养价值、土壤相关指标、净温室气体排放及经济效益方面的协同与权衡关系。结果表明，小麦-玉米轮作的CEI值最低，而甘薯→小麦-玉米轮作的CEI值最高，其次为花生→小麦-玉米轮作和大豆→小麦-玉米轮作。含甘薯、花生和大豆的多样化轮作体系CEI值超小麦-玉米轮作三倍以上，且显著高于以谷物为主的春玉米→小麦-玉米及黑麦草-甜高粱→小麦-玉米轮作。各轮作系统关键指标间存在显著关联：土壤健康与作物产量、经济效益及营养评分呈正相关，与净温室气体排放呈负相关；同时与土壤碳固存及土壤生物多样性正相关，显著协同抵消净温室气体排放。
图5. 全面评估不同的轮换制度
本研究基于在中国华北平原开展的6年田间试验，研究表明，与传统谷物单作相比，引入甘薯、花生和大豆等的多样化轮作系统能显著减少合成氮肥使用，从而降低净温室气体排放，并提高土壤有机碳含量和土壤健康指数。该系统还能使小麦和玉米产量提升32%，农民年净收入增加20%，在保障粮食安全的同时，协同实现了土壤健康改善、微生物多样性增加和气候变化缓解的多维效益，为农业绿色转型提供了关键实践依据。
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