DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44464-9
主要内容：
全球粮食生产面临着平衡增产需求与环境可持续性的挑战。本研究在华北平原进行了为期六年的田间试验，展示了将传统谷物单一栽培（小麦-玉米）与经济作物（红薯）和豆科植物（花生和大豆）多样化种植的好处。
主要结论：
多样化轮作可使等效产量提高 38%，减少N2O 排放量 39%，并使系统的温室气体平衡提高 88%。此外，在作物轮作中加入豆科植物可刺激土壤微生物活动，使土壤有机碳储量增加 8%，并使土壤健康（以选定的土壤理化和生物特性为指标）提高 45%。在华北平原大规模采用多样化种植系统，当小麦-玉米轮作后替代作物时，谷物产量可提高 32%，农民收入可提高 20%，同时有利于环境。这项研究提供了可持续粮食生产实践的一个例子，强调了作物多样化对长期农业恢复力和土壤健康的重要性。
主要图表：
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图1.从问题到结果的系统整合示意图。在案例研究区域华北平原，传统的谷物单一栽培（如小麦-玉米双茬种植，即每年种植两季谷物）需要在粮食生产中投入合成农用化学品和灌溉，从而造成大量温室气体 (GHG) 排放；相比之下，采用经济作物和豆科作物多样化轮作系统可以维持作物产量，增加农民收入，并减少温室气体排放，因为豆科植物的生物 N 2固定部分替代了合成 N 投入。包括豆科植物在内的轮作还可以通过刺激土壤微生物活动、增加碳封存和增强养分循环来改善土壤健康。![]()
图 2：农业生态系统生产力。整个轮作系统的生产力：a与小麦相当的产量，b经济效益——净收入，c蛋白质产量。轮作中替代作物之前的西麦的生产力：d年粮食产量，e经济效益，f蛋白质产量。在a – c中，小提琴图中的黑条表示 25 和 75 百分位数，黑条外的晶须表示 95 和 5 百分位数，内侧的白点表示中位数。小提琴形区域显示了数据分布。d – f中的虚线是西麦轮作的基线值，误差线是冬小麦和夏玉米年值总和的标准差。在a – f中，进行了双侧和事后检验的单因素方差分析以确定显著差异。不同的小写字母表示在P < 0.05时轮作之间的显著差异。精确的P值：a – c中P < 0.001 ，d中P = 0.001 ， e中P = 0.032 ，f中P = 0.004。b和e中，1 美元 = 6.95 元人民币（截至 2023 年 5 月）。对于a–c，n = 9；d–f，n = 18。处理缩写：WM 冬小麦 – 夏玉米（对照情况），SpWM 红薯→冬小麦 – 夏玉米轮作，PWM 花生→冬小麦 – 夏玉米轮作，SWM 大豆→冬小麦 – 夏玉米轮作，SmWM 春玉米→冬小麦 – 夏玉米轮作，RSWM 黑麦草 – 高粱→冬小麦 – 夏玉米轮作。源数据以源数据文件的形式提供。![]()
图 3：多样化作物轮作中的直接和间接温室气体（GHG）排放。a年平均 N 2 O 排放量；b CH 4排放量；c GWP N2O+CH4；d间接 GHG 排放；e 0–90 cm 深度土壤碳库变化；f净 GHG 排放量。在a – c中，菱形箱线图显示跨越 25 和 75 分位数的三角形在中位数处相交。小方块表示平均值。晶须线延伸到最小值和最大值。在e和f中，每列中的误差线代表三个重复的整个剖面总和的标准差。在a – c、e和f中，进行了双侧和事后检验的单因素方差分析以确定统计学意义；不同的小写字母表示在P < 0.05 时旋转之间的显著差异。精确的P值：a – c和f中的P < 0.001 。在e中，** 表示 2016 年至 2022 年间 0-90 cm 土层土壤碳储量发生显著变化，P < 0.01（ SpWM 的P = 0.005，PWM 和 SWM 的P = 0.002）。处理缩写：WM 冬小麦-夏玉米（对照情况），SpWM 红薯→冬小麦-夏玉米轮作，PWM 花生→冬小麦-夏玉米轮作，SWM 大豆→冬小麦-夏玉米轮作，SmWM 春玉米→冬小麦-夏玉米轮作，RSWM 黑麦草-高粱→冬小麦-夏玉米轮作。源数据以源数据文件的形式提供。![]()
图 4：不同轮作系统的土壤健康评估。a对十个关键土壤特性的特征值进行主成分分析（PCA），包括土壤有机碳（SOC）、溶解有机碳（DOC）、总氮（TN）、NO 3 - -N、有效磷（AP）、pH、微生物生物量氮（MBN）、微生物生物量碳（MBC）、容重（BD）和土壤含水量（SWC）。每种土壤特性都被标准化为整体土壤健康评分的单独CSHA（康奈尔土壤健康评估）贡献者。b每次轮作的CSHA评分。在b中，每列中的晶须代表三次重复的标准差；圆圈是条形图的对应数据点，n = 3。对不同处理之间的显著性检验进行了双侧和事后检验的单因素方差分析。不同的小写字母表示在P < 0.05时显著不同的作物轮作组。带有红色百分比的红色虚线是WM轮作的基线。黑色虚线和黑色百分比为 2016 年基线。处理缩写：WM 冬小麦-夏玉米（对照情况）、SpWM 红薯→冬小麦-夏玉米轮作、PWM 花生→冬小麦-夏玉米轮作、SWM 大豆→冬小麦-夏玉米轮作、SmWM 春玉米→冬小麦-夏玉米轮作、RSWM 黑麦草-高粱→冬小麦-夏玉米轮作。源数据以源数据文件形式提供。![]()
图 5：轮作对土壤微生物群落多样性和土壤特性的影响。a Shannon 指数；b Chao 1；c ACE 指数；d 2016 年至 2022 年六次作物轮作中测得的 OTU 丰富度；e细菌 OTU 和土壤性质的冗余分析 (RDA)；f真菌 OTU 和土壤性质的 RDA。a – d中的百分比值代表 2016 年至 2022 年的增量；点表示平均值，每个点上的细线条是三次重复的标准差。在a – d中，进行了双侧和事后检验的单因素方差分析，以确定处理之间的显著差异。柱子下方的不同小写字母表示轮作之间的显著差异，P < 0.05。图e和f显示了冗余分析，彩色圆点和三角形表示轮作，矢量表示土壤特性，包括土壤有机碳 (SOC)、溶解有机碳 (DOC)、总氮 (TN)、NO 3 – -N、NH 4 + -N 、有效磷 (AP)、pH、微生物生物量碳 (MBC)、微生物生物量氮 (MBN) 和 MBC 与 MBN 的比率。处理缩写：WM 冬小麦-夏玉米（对照情况）、SpWM 红薯→冬小麦-夏玉米轮作、PWM 花生→冬小麦-夏玉米轮作、SWM 大豆→冬小麦-夏玉米轮作、SmWM 春玉米→冬小麦-夏玉米轮作、RSWM 黑麦草-高粱→冬小麦-夏玉米轮作。源数据以源数据文件的形式提供。![]()
图6：对不同轮作制度的综合评估。a多目标分析雷达图，用于评估轮作的各种功能；b综合评价指数（CEI， 方法、补充材料中的公式15-24）；c不同作物轮作中关键变量之间的协同作用和权衡关系；d，多目标分析的南丁格尔玫瑰图，用于评估每种作物轮作的详细功能 1。在a中，值已标准化。（+）为正变量，（-）为负变量。等效产量将作物产量重新表示为相当于小麦的谷物产量；经济效益表示作物产量乘以其市场价格减去消耗品成本；营养产量包括每种作物的 17 种营养成分，例如粗蛋白、脂肪含量、大量和微量元素以及维生素68。土壤碳固存表示 2016 年 10 月至 2022 年 10 月 0-90 cm 层土壤碳储量的变化；净温室气体排放量表示净温室气体预算，包括直接和间接温室气体排放减去土壤碳封存；土壤生物多样性用细菌和真菌群落的香农指数表示；土壤健康评分是使用整体康奈尔土壤健康评估 (CSHA) 矩阵结合 PCA 81、82、83 从 10 项指标计算得出的。处理缩写：WM冬小麦-夏玉米（对照情况），SpWM 红薯→冬小麦-夏玉米轮作，PWM 花生→冬小麦-夏玉米轮作，SWM 大豆→冬小麦-夏玉米轮作，SmWM 春玉米→冬小麦-夏玉米轮作，RSWM 黑麦草-高粱→冬小麦-夏玉米轮作。源数据以源数据文件的形式提供。
