文献简介
篇名：Diversifying crop rotation increases food production, reduces net greenhouse gas emissions and improves soil health
发表时间：2024年
期刊：Nature Communications
作者信息：通讯作者为来自中国农业大学水利与土木工程学院的杨晓琳副教授、中国农业大学水利与土木工程学院杜太生教授、海南大学热带农林学院巨晓棠教授与温州大学生命与环境科学学院甘延太教授
原文来源：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44464-9
推荐理由
文章的创新之处在于高度多样化的作物轮作，用经济作物和豆类取代谷类单作，深浅根系作物轮作。这种方式积极影响生态系统服务和功能，在减少温室气体排放、作物生产、土壤健康和微生物多样性方面有协同效应，减少作物投入的同时增加农民收入。研究结果也为应对全球粮食生产与环境可持续性的挑战提供了有效的解决方案，对提高粮食产量、减少温室气体排放、改善土壤健康等多方面具有重要的指导意义。
主要内容
全球粮食生产面临着在增加产量与环境可持续性之间取得平衡的挑战。传统强化粮食生产系统依赖大量农用化学品投入，虽提高了产量，但也排放大量温室气体并导致环境退化。在中国，过去30年作物产量增加的同时化肥使用量大幅上升，且2019年与粮食生产相关的温室气体排放量达24亿吨二氧化碳当量。创新概念如多样化作物轮作的综合农业系统应运而生，以应对粮食生产和环境可持续性挑战。然而，对于经济作物和豆类多样化的种植系统如何实现增加粮食产量、减少环境足迹和有益于土壤健康这三个目标知之甚少。因此，本研究在中国华北平原进行了为期6年的田间研究，以全面评估几种多样化的种植系统在粮食生产、温室气体平衡、土壤健康效益和农民收入方面的情况。具体研究结果如下：
图1 从问题到结果的系统集成示意图
（1）多样化的作物轮作提高了生态系统的生产力
与传统冬小麦-夏玉米双作相比，甘薯→冬小麦-夏玉米轮作（SpWM）的年等效产量增加38%；轮作中加入甘薯（SpWM）、花生（PWM）或大豆（SWM）显著增加了年经济收益（净收入），其中SpWM增加60%，PWM和SWM增加13-22%；不同轮作系统的蛋白质产量有所差异，黑麦草-高粱轮作（RSWM）和大豆→冬小麦-夏玉米轮作的蛋白质产量最高，比冬小麦-夏玉米轮作高8-31%。轮作中的前茬作物显著影响后续冬小麦-夏玉米作物的产量、净收入和蛋白质产量，非谷类作物轮作后的冬小麦-夏玉米在产量、经济效益和蛋白质产量上分别增加26-32%、39-46%和25-29%。
图2 农业生态系统生产力
（2）多样化的作物轮作可减少GHG净排放
与小麦-玉米对照相比，多样化的作物轮作显著降低了年累积N2O排放，花生、大豆和甘薯轮作分别减少30%、42%和49%；所有作物轮作的土壤都是大气CH4的净汇，多样化轮作使汇强度比小麦-玉米增加33-76%；含谷类的轮作（黑麦草-甜高粱→小麦-玉米轮作和春玉米→小麦-玉米轮作）的全球变暖潜能值（GWP）比小麦-玉米轮作低22%和19%，含豆类或甘薯的轮作分别低32%、43%和51%。与小麦-玉米轮作相比，甘薯、花生、大豆和春玉米轮作的间接GHG排放低34-41%。所有处理的0-90cm土层土壤碳储量从2016-2022年显著增加，花生→小麦-玉米轮作的土壤碳固存最高，其次是大豆和甘薯轮作；土壤碳固存抵消了甘薯、花生和大豆轮作中总GHG排放的75-89%，在春玉米、黑麦草-甜高粱和小麦-玉米轮作中抵消7-21%；小麦-玉米轮作的净GHG排放量最大，甘薯、大豆和花生的多样化轮作分别降低83%、90%和92%
图3 不同作物轮作的直接和间接温室气体(GHG)排放
（3）多样化的作物轮作可改善土壤健康和微生物多样性
文章采用康奈尔土壤健康评估（CSHA）评分方法和主成分分析（PCA）评估，花生→小麦-玉米轮作的土壤健康评分最高，其次是大豆和甘薯轮作，比小麦-玉米轮作高41-59%。土壤指标变化方面，花生→小麦-玉米轮作的土壤有机碳（SOC）浓度高6.5%，溶解有机碳（DOC）高29.7%，但总氮（TN）低5.7%，有效磷（AP）低15.4%；黑麦草-甜高粱→小麦-玉米轮作的SOC和DOC最低，但微生物生物量碳（MBC）最高。
从2016-2022年，甘薯、花生和大豆轮作的香农指数显著增加7-10%，而小麦-玉米或基于禾本科作物的轮作系统无变化；花生或大豆轮作增加了细菌群落的操作分类单元（OTU）丰富度和真菌群落的香农指数、Chao1和OTU丰富度；经过6年的轮作，甘薯、花生和大豆轮作的土壤在Chao1、基于丰度的覆盖度估计量（ACE）和群落丰富度方面显著高于单一谷类作物轮作系统。另外，冗余分析表明，作物轮作与细菌和真菌群落的组成变化有关，甘薯、花生和大豆轮作的细菌群落与SOC和AP密切相关，真菌群落与SOC、pH和DOC相关；而小麦-玉米等轮作的细菌群落与TN和MBC密切相关。
图4 不同轮作制度的土壤健康评价
图5 土壤微生物群落多样性和土壤性质对轮作的响应
（4）不同作物轮作的多重功能评价
对于综合评价指数（CEI）结果，小麦-玉米轮作的CEI值最低，平均为0.19，甘薯→小麦-玉米轮作的CEI值最高为0.81，其次是花生和大豆轮作；多样化轮作的CEI值是小麦-玉米轮作的三倍多，且显著高于基于谷类的轮作。在关键指标间的关系上，土壤健康与作物产量、经济效益、营养评分呈正相关，与净GHG排放呈负相关，还与土壤碳固存和土壤生物多样性呈正相关
图6 不同轮作系统的综合评估
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责编：巩晓曦
文字：段凯军
排版：刘双瑜
校对：刘双瑜
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