【Nat Communi】 中国农大解析全球豆科轮作的产量效应及关键驱动因子

近日，中国农业大学区域农业发展研究中心曾昭海教授、臧华栋副教授团队在《自然-通讯》(Nature Communications) 发表了题为 " Global systematic review with meta-analysis reveals yield advantage of legume-based rotations and its drivers " 的研究论文，构建了全球豆科作物轮作数据库，解析了全球豆科轮作的产量效应及关键驱动因子，明确了轮作效应区域差异和多种生物非生物因素的影响。

尽管现代集约化农业为满足粮食安全做出了巨大贡献，但其所带来的资源环境代价与粮食安全及可持续发展之间的矛盾日益突出。因此，迫切需要创新的、高度可持续的农业生产系统，在确保国家粮食安全的同时，减少环境代价，实现我国农业的绿色可持续发展。作物多样化种植能够提高土壤肥力、增加农田生态系统稳定性，进而实现地力保育、丰产稳产、资源高效利用、环境友好等多目标协同。长期以来，基于豆科作物的轮作系统被普遍认为能增加后茬作物产量，然而产量效应与驱动机制始终未能得到科学系统的解答。

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全球尺度豆科轮作产量效应

团队构建了涵盖 161 种轮作模式、11700 余组数据的全球多样化种植数据库，其中，禾谷类、油料、块根块茎类作物分别占 91%、6% 和 2%。就主作系统而言，45% 为连作，47% 为简单轮作。豆科作物轮作对主作产量的影响 73.6%表现为正效应，25.7% 为负效应，0.7% 为无影响。全球来看，豆科作物轮作平均增产 20%。该研究充分考虑了不同豆科用途如籽粒豆科、饲草豆科和豆科绿肥，以及多种主作类型如禾谷类、油料、块根块茎类等，揭示了豆科作物对后茬非豆科主作的产量效应。

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豆科轮作产量效应驱动机制

利用随机森林算法结合整合分析对土壤、气象、作物管理和试验因素等 21 个影响因素进行了因子重要性分析，结果表明，豆科轮作的产量效应主要受后茬作物施氮量和初始模式的作物多样性调控。进一步的分析表明，豆科前茬的增产效应随施氮量和作物多样性的增加而显著降低，施氮量每增加 50 kg/ha，增产效应平均降低 7%；作物多样性每增加 1 个单位，增产效应平均降低 3%。同时，施氮量和作物多样性存在显著互作关系，随着作物多样性的增加，施氮量对豆科茬口产量效应的影响逐渐减弱；不施氮条件下豆科茬口产量效应对作物多样性的响应要比施氮条件下更强。

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豆科轮作产量效应分布特征

通过对豆科轮作产量效应与主作产量水平的回归分析，表明豆科作物多样化轮作的增产效应主要分布在低产区，增产效应随后茬作物产量的提高而显著降低。当后茬作物产量高于平均水平时，豆科作物轮作的增产效应大幅减弱，平均增产 7%。如：豆科作物轮作的增产效应在非洲远高于亚洲 (43% vs. 12%)，在欧美等地区居中。该研究结果为中低产田作物绿色增产提供了潜在技术方向与理论基础。

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轮作模式和作物管理

对豆科轮作产量效应的影响

作物时空配置和管理措施对于豆科轮作产量效应的发挥至关重要。通过对 60 个主要轮作模式的效应进行分析，我们发现轮作产量效应在不同轮作模式间异质性较大，如相比非豆科-油菜轮作，豌豆-油菜轮作并没有显著增加油菜产量，而相比非豆科-玉米轮作，黎豆-玉米轮作使玉米产量显著增加 78%。同时还发现豆科作物种类、用途、耕作方式和土壤参数对豆科轮作产量效应具有一定影响。

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结论与讨论

本研究首次构建了全球豆科轮作数据库，系统阐明了豆科轮作的增产效应及其驱动因子，为作物多样化种植模式构建和绿色生产提供了重要理论与技术支撑。

中国农业大学农学院 臧华栋 副教授为论文通讯作者，曾昭海 教授为共同通讯作者，博士后 赵杰 为论文第一作者。中国农业大学农学院 杨亚东 副教授、丹麦奥胡斯大学 陈骥 研究员、法国农科院 Damien Beillouin 博士、澳大利亚西澳大学 Hans Lambers 教授、英国阿伯丁大学 Pete Smith 教授、奥胡斯大学 Jørgen E. Olesen 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) 、中国科协青年人才托举工程 (2020QNRC001) 、自然科学基金联合项目 (U21A20218) 和现代农业产业技术体系建设专项资金 (CARS-07-B-5) 等项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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