消除饥饿作为可持续发展目标的核心挑战依然严峻，全球北方国家面临“隐性饥饿”，而全球南方国家则同时遭受粮食不安全和营养不良的困扰。然而，当前研究存在明显空白：尽管已知豆科前茬作物能提升后续产量，但非豆科前茬作物的影响却缺乏系统评估；更重要的是，尚无研究在系统层面全面综合评估轮作对总产量、膳食能量、营养产出及农民收入之间的协同与权衡关系。因此，本研究旨在通过一项全球荟萃分析，量化轮作对农业可持续性三大维度——产量表现、营养输出和收入的影响，以期识别能够协同提升这些维度的区域化优化种植序列，为协调农业生产与粮食安全及经济活力提供可行路径。
近日，中国工程院院士张福锁团队在Nature Communications上发表了题为Crop rotations synergize yield, nutrition, andrevenue: a meta-analysis的文章，该研究系统阐述并定量了作物轮作协同提升产量-营养-收益三赢新路径，为农业可持续发展提供了全新的解决思路和方案。
译名：轮作协同提升产量、营养与收益：一项荟萃分析
期刊：Nature Communications
IF:15.7
1. 豆科植物和非豆科植物前茬作物在各大洲的产量增益
基于覆盖全球六大洲的数据分析表明，轮作相较于单一种植能使后茬作物产量平均显著提高20%。研究进一步揭示，前茬作物类型对增产幅度有重要影响，其中豆科前茬作物可带来23%的产量增益，显著高于非豆科前茬作物16%的增益。从地理分布看，轮作增产效益存在显著地域差异，大洋洲的增益最高，而在非洲与北美地区，豆科前茬的增益均显著优于非豆科前茬，凸显了豆科作物在提升轮作系统生产力方面的关键作用与地域适用性。
图1. 各地理区域产量数据的分布和作物种植前效应
2. 作物功能群与序列配置对轮作增产效应的调控机制分析
基于全球679项实验数据分析表明，轮作增产效应显著受前茬作物功能群及种植序列调控。研究发现，混作不同功能群作物作为前茬可使后茬谷物产量提升60%，豆科作物作为前茬可增产20%，而其他非豆科作物前茬增产效果为15%。具体作物组合中，蚕豆作为小麦前茬的增产效果显著优于鹰嘴豆或豌豆，饲用豆科前茬使后茬谷物平均增产26%，其中对玉米的增产效果尤为突出。研究还发现，轮作增产效益随时间推移持续增强，且能降低年际产量变异系数0.21，显著提升系统稳定性。此外，在331个实验点的观测表明，氮肥施用量与轮作效益呈负相关，玉米或小麦与豆科轮作可减少41%-46%的氮肥投入而不降低产量，凸显了轮作系统在减肥稳产方面的协同优势。
图2. 轮作中前作群体或前作种间的联系及其对后作产量的影响
3. 轮作系统在产量、营养与收益方面的综合效益与机会成本分析
本研究通过分析全球114项实验的609组数据，从系统层面评估了轮作的机会成本。结果表明，轮作能协同提升整个系统的综合效益：与连续单作相比，轮作使系统总产量提升23%，膳食能量和蛋白质分别增加24%和14%，铁、镁、锌等微量元素提升17%-27%，收入提高20%。研究识别出多个“三赢”轮作模式，如玉米-大豆和高粱-大豆轮作能同步提升能量、营养和收益；但部分转型可能导致能量和收益下降。关键在于，在单作主导区域推广适宜轮作可实现超过80%的综合增益，这凸显了因地制宜设计轮作序列对优化农业多目标产出的重要性。
图3. 与单一作物相比，轮作通常能促进高膳食能量、营养供应和更高的收入
图4. 世界主要农业生产区轮作与单作系统的产量、膳食营养和收入效益
主要发现与核心贡献
本研究通过对全球738项实验的综合分析，确证了轮作能够协同提升作物产量、营养产出和农民收益，并且在大多数情况下避免了这些关键目标之间的权衡关系。本研究的核心贡献在于超越了以往仅关注后茬作物产量的局限，首次从系统层面评估了轮作对整个序列的总产量、膳食能量、营养素和收入的影响，并揭示了非豆科前茬作物平均也能带来16%的显著增产效应，这扩展了人们对轮作益处的认知。
轮作效益的驱动机制与区域异质性
轮作效益的驱动机制因前茬作物类型而异。豆科作物的优势在于生物固氮，尤其在非洲等低氮肥投入地区效益巨大。而非豆科作物的效益可能源于改善土壤结构、打破病虫害循环、提高磷有效性等。研究强调了效益的区域异质性：在单作主导地区采纳合适轮作可实现超过80%的综合增益；而在土壤肥沃或高肥投入地区，豆科与非豆科轮作间的差异则不显著。
关键轮作模式与“超越性减产”风险
研究识别出若干“三赢”轮作模式，如南美洲的玉米-大豆和高粱-大豆轮作。同时，结果也警示了不当转型的风险：从高产玉米单作转向大豆-玉米轮作，或从高粱单作转向大豆-高粱轮作，可能导致系统总产出、营养和收入的显著下降，即出现“超越性减产”。这表明轮作设计必须因地制宜。
政策启示与研究局限性
为广泛推广轮作，将其纳入国家农业政策、建立多方协作机制至关重要。本研究也指出了局限性：结果基于受控试验，与实际农场情景存在差异；收入分析未包含生产成本数据，因此无法计算实际利润。未来的研究需要在真实农场环境下进行区域化验证，并纳入更详细的经济成本数据，以全面评估轮作的经济效益。
这项基于全球3663组田间试验数据的荟萃分析表明，从单一种植转为作物轮作可协同提升农业系统的产量、营养产出和经济回报。研究发现，轮作使后茬作物产量平均增加，其中豆科前茬作物贡献了23%的增幅，优于非豆科作物的16%。从整个种植序列看，轮作相比连续单作使总产量、膳食能量、蛋白质、铁、镁、锌等微量元素及收入均提升14%–27%。更重要的是，分析显示轮作中产量、营养和收益三者实现“共赢”关系的概率达33%–54%，显著高于出现权衡关系的概率。研究还识别出适用于全球主要农业区的多种高效轮作模式，证实作物轮作可作为可持续集约化的关键策略，在保障粮食安全和营养的同时提升农民收入。
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