2025年1月2日，中国农业大学区域农业发展研究中心曾昭海/臧华栋课题组在《细胞》（Cell）杂志的旗舰子刊《一个地球》（One Earth，IF5y=18.1）在线发表了题为《全球豆科作物-水稻轮作增加水稻产量和固碳潜力》（Legume-rice rotations increase rice yields and carbon sequestration potential globally）的研究成果。该研究揭示了豆科作物与水稻轮作能够协同提升作物产量与土壤固碳潜力，并阐明了其主要调控因子与驱动机制，为水稻增产、稻田土壤质量提升和碳中和提供了新的理论依据，也为农业应对气候变化和保障全球粮食安全提供了重要的技术路径。
水稻作为全球半数人口以上的主食，面临着产量停滞与生态压力的双重挑战。如何在保证水稻可持续生产的同时降低环境成本，已成为保障全球粮食安全和推动农业绿色发展的关键。探索并实施多样化种植策略，尤其是豆科作物的引入，被视为提升农业可持续性的核心路径之一。尽管豆科引入旱作系统的增产效果已有广泛研究，但由于稻田与旱地在水分管理、土壤立地条件和养分循环等方面存在显著异质，豆科轮作在全球稻作系统中的实际效应仍缺乏系统阐述。此外，实现产量与气候韧性的平衡，还需要深入探索作物增产与土壤固碳之间的潜在协同关系，但豆科前茬对水稻产量和固碳的权衡缺乏定量研究。上述科学问题的阐明将为稻田持续增产稳产和绿色发展提供重要理论和技术支撑，推动了农业绿色转型和种植制度定向设计。
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全球尺度豆科-水稻轮作产量效应
本研究基于覆盖全球17个主要稻作国家的1,483组数据，通过大数据分析与机器学习算法相结合，系统评估了豆科轮作对水稻产量和土壤固碳的影响。结果发现，豆科轮作平均使后茬水稻产量提高了15.7%。通过对气象、土壤、种植管理等16个因素进行因子重要性分析，结果表明氮肥施用量、耕作类型以及初始种植系统的作物多样性是影响前茬豆科对水稻产量效应的最主要因素，且水稻氮肥用量与耕作类型存在显著交互作用。
图1 豆科作物轮作对水稻的增产效应及因子重要性分析
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低氮投入和保护性耕作下水稻产量效应更高
研究表明，豆科轮作的增产效应与氮肥施用量之间存在显著负相关关系。随着水稻施氮量增加，其增产效应由不施氮时的+25.7%逐渐下降，至240 kg N ha-1时正效应完全消失。在全球水稻平均施氮范围内（60-150 kg N ha-1），前茬豆科仍可显著提高水稻产量9.9%。此外，与常规耕作相比，保护性耕作下水稻的增产优势更为突出（58.4% vs 13.9%），尤其是在低产田中表现的更明显。此外，在低氮投入条件下，豆科-水稻轮作在保护性耕作下表现出更大的增产潜力。
图2 豆科作物轮作影响水稻产量的主要驱动因子
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较高的作物多样性和产量水平缩小了豆科轮作增产效应
研究发现随着初始作物多样性的增加，豆科轮作增产效应逐步降低。具体而言，作物多样性每增加1个单位，水稻的增产效益减少1.1%。此外，豆科轮作对低产稻田的增产效应更加明显，当水稻单产水平超过7.0 t ha-1时，豆科轮作将不发挥增产优势。进一步分析表明，在水稻增产超过20%的案例中，98%的水稻单产低于全球平均水平6.8 t ha-1。这表明，豆科-水稻轮作的增产效应将在中低产田产能提升中发挥重要作用。
图3 豆科作物轮作对水稻产量的提升效果随着水稻单产水平的提高而降低（图A），轮作制度优化可实现水稻增产和土壤固碳双赢（图B）
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豆科-水稻轮作实现增产与固碳的协同效应
豆科-水稻轮作在65.8%的概率下实现了水稻增产与土壤固碳的双赢。然而，有28.7%的案例存在权衡现象，即水稻产量和土壤有机碳其中一项增加，另一项却有所减少。在5.5%的情况下，豆科种植导致水稻产量和土壤有机碳同时下降。值得注意的是，种植豆科绿肥以及秸秆还田的方式更有助于促进水稻增产与土壤固碳的协同效应。
总体而言，本研究表明定向设计豆科作物与水稻轮作的种植制度不仅有助于提高水稻产量，还能增强稻田土壤的固碳能力，从而在保障粮食安全的同时协同提升稻田土壤的碳汇能力，为应对气候变化提供潜在解决方案。研究结果为推动全球稻作系统可持续发展提供了重要实践依据与路径选择，为构建兼顾生产和生态效益的绿色农业管理模式奠定了理论基础。
本研究由中国农业大学农学院种植制度与农田生态团队完成，臧华栋教授为论文通讯作者，曾昭海教授为共同通讯作者，在读博士生姚伟为论文第一作者。我院杨亚东副教授、已出站博士后赵杰（现华中农业大学副教授）、已出站博士后周杰（现南京农业大学副教授）、法国农业国际合作研究发展中心Damien Beillouin研究员、奥胡斯大学Jørgen E. Olesen教授、英国阿伯丁大学Pete Smith教授、澳大利亚西澳大学Hans Lambers教授、德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授、西湖大学Thomas C. Wanger教授等参与了研究。相关工作得到了国家自然科学基金（32101850, 32172125）、国家自然科学基金联合项目（U21A20218）、国家重点研发计划项目（2022YED1901100）、海南省自然基金（320LH041）等的资助。
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