（2024年12月31日发表）
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摘要：本文对近期发表在Global Change Biology上的文章“Changes in the yield effect of the preceding crop in the US Corn Belt under a warming climate”进行了评论。作物轮作多样性因其在气候变化适应中的作用而备受关注，但研究重点多集中于生长季的气候条件。该研究利用大范围和重要种植体系的数据表明，不同前茬作物对玉米和大豆的益处同时取决于生长季和非生长季的条件。
在大面积区域内，农业已实现工业化和高度专业化。与工业化前相比，这种方式显著提高了产量，但工业化农业对环境退化、气候变化和生物多样性丧失的影响往往被忽视。作物轮作多样性作为一种逆转这些破坏的方法，在研究和政策中重新受到关注。事实上，在田间轮作多样化作物并非新做法，可追溯至罗马帝国时期，目前在有机农业中仍较为普遍，用以打破病虫害循环、提高土壤肥力，从而减少对环境有害的农用化学品的需求。此外，研究表明，这种实践还能够提升其他生态系统服务，例如碳封存、养分循环、水分调节和生物多样性，而不以产量为代价（Smith et al., 2023; Tamburini et al., 2020）。近年来，作物轮作在气候变化适应中的作用也引起了广泛关注。
长期田间实验的分析表明，多样化作物轮作能够缓解不利气候条件下的产量损失（Bowles et al., 2020）。添加一种非谷物作物进入轮作体系，可以平衡异常高温、湿润或干旱等有害气候条件的负面影响（Costa et al., 2024）。为了在时间和空间上进行概括性研究，Zhou等（2024）借鉴了Kluger、Owen和Lobell（2022）评估的方法，收集了通过卫星影像生成的美国玉米带19年间的产量地图，并对比了玉米和大豆的单一栽培与轮作产量。此方法优势在于覆盖范围广，这是田间实验无法实现的，但其局限在于仅能应用于已有数据的区域、作物和种植体系。例如，Zhou等（2024）的研究仅限于区域内占主导地位的两年轮作体系：玉米-大豆轮作。因此，轮作多样性效应无法与前茬作物效应区分。然而，从单一栽培转向简单轮作的优势在多种气候和气候条件下可量化。
多样化轮作的益处被归因于改善的土壤结构和增加的土壤有机质含量，这些有机质增强了水分和养分的保持能力（Bennett et al., 2012; Renwick et al., 2021）。同样，前作能够影响根系结构，从而提高抗旱能力（Cope et al., 2024）。此外，轮作中引入多样化作物能打破病虫害和杂草的循环。例如，在玉米-大豆轮作中，与连续种植玉米相比，玉米根际富集了有益的细菌、真菌和真菌病毒，并抑制了真菌病原体（Liu et al., 2024）。Zhou等（2024）研究的最大创新之处在于将前茬效应与气候条件（包括生长季外的条件）关联起来。
气候条件对作物产量和整体生态系统过程有着重要影响。迄今为止，关于气候条件效应的研究，尤其是其与轮作多样性等实践的相互作用，主要集中于生长季（GS）。然而，轮作收益中的某些机制同样可能受到非生长季（NGS）气候条件的影响。例如，更暖的NGS温度会加速养分循环，减少后茬作物可利用的养分量；当NGS温度升高并改善害虫越冬条件时，打破害虫循环可能显得更加重要。确实，Zhou等（2024）发现，不同前茬对玉米和大豆的益处同时受到GS和NGS条件的影响。这些影响并非微不足道。玉米的轮作益处随着NGS温度和降水量的增加以及GS温度的升高而降低，但在GS温度较高时，GS降水量的增加会增强轮作效应。相反，对于大豆而言，玉米作为前茬的益处随着GS和NGS温度的升高而减少。结合气候预测，这些结果为估算未来气候条件下轮作效益的变化提供了可能性。在2051–2070年间，由于NGS温度和降水量的增加（尽管受当前气候条件的区域差异影响），预测显示大豆作为前茬对玉米产量的益处将减少。这种减少可能与NGS温度升高导致的养分循环加速有关，也可能与NGS降水量增加导致养分淋失有关。此外，GS气候变暖可能在北部州改善连续玉米种植的土壤氮供应，从而进一步降低轮作效益。与玉米不同，玉米作为前茬作物对大豆的益处主要依赖于GS温度，预计在美国玉米带北部地区有所增加，而在南部则略有下降。这种地理模式可能与气候变暖加剧了当前较冷地区的害虫胁迫有关，需要多样化轮作打破害虫循环，但在较南部地区可能已超出作物的热适宜范围。尽管玉米的轮作效益有所下降，但在考虑到未来轮作效益预测以及完全实施两年轮作的情况下，未来县级玉米和大豆轮作产量仍有望高于当前水平。
根据作物轮作多样性效应的可能机制，预计除轮作多样化之外的管理措施也会与气候条件相互作用，共同决定轮作效益。Zhou等（2024）尝试通过将前茬效益与美国玉米带州级农药和化肥使用数据以及作物因损害而损失的数据联系起来，量化这些效应。对于玉米，前茬效益随着化肥使用量的增加而降低，这表明至少部分轮作效益应归因于氮素可用性的增强（Kluger, Owen, 和 Lobell 2022）。前茬效益还随着农药使用量的增加而降低，支持了轮作多样性在打破害虫循环中的作用。然而，对于大豆而言，前茬效益与农药使用量的关系整体较弱，并具有位置特异性，在南部州表现出更高的效益，而这些地区的农药使用量也最高。
总体而言，Zhou等（2024）关于大豆-玉米轮作中气候变化下轮作效益的结论十分重要，包括NGS气候条件的作用。同时，这也提醒我们存在一些尚未解决的知识空白。作物轮作效益背后的机制多种多样，目前仅部分被理解。各机制的相对作用仍难以量化，部分原因是这需要多个详细且长期的实验，而这些实验显然在后勤安排上具有挑战性。重要的是，Zhou等（2024）研究的轮作多样性是最低的，仅包含两种作物交替。长期试验表明，轮作效益在包含三到四种作物时最大，并且在有机农场中可能更高（Smith等 2023）。因此，轮作多样性在适应气候变化中的效益可能被大大低估。事实上，进一步增加轮作作物的多样性，包括添加超越谷物和豆类的功能类型，如牧草或阔叶作物，可能使谷物产量在不利条件下高于有利条件下（Costa等 2024）。前茬效应与整体轮作多样性之间的相对重要性及其相互作用尚待评估。最后，量化轮作效益以及其受气候条件影响的不确定性，加上气候预测中的不确定性，使得量化气候变化适应性变得更加复杂。
总之，Zhou等（2024）展示了NGS这一往往被忽视的因素在广泛区域和重要种植体系中的重要性。同时，它也揭示了我们对轮作多样性理解的局限性。对于将轮作多样性作为气候变化适应措施推广而言，这种局限性是一个严峻的挑战。
参考文献：略。
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