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为探究豆类作物对种植系统的影响，研究人员开展相关研究，发现多样化轮作可提升生态系统服务。
# 豆类作物在多样化小麦种植系统中的神奇力量
在农业的世界里，种植模式就像一场精心策划的棋局，不同的作物组合会带来截然不同的结果。近年来，随着全球人口的增长，对粮食的需求不断攀升，传统的简化种植系统面临着诸多挑战。在这种系统下，高化学投入虽然带来了产量的增加，但也导致了温室气体排放大幅上升，而且连续短周期种植同一作物，产量往往会出现下降趋势。同时，单一作物种植还会使土壤质量逐渐退化，比如土壤有机碳和氮含量减少。
为了应对这些问题，研究人员一直在寻找可持续的种植解决方案。在加拿大半干旱的草原地区，豆类作物成为了关注的焦点。这里的水资源有限，传统种植系统对作物生产和生态环境都产生了负面影响。于是，来自加拿大农业和农业食品部等机构的研究人员，开展了一项为期 8 年的研究，旨在评估不同多样化水平的豆类作物轮作对生态系统服务的影响，该研究成果发表在《Agronomy for Sustainable Development》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在实验设计上，设置了 4 种不同的小麦基轮作处理，包括小麦单作（WWWW）、低多样化轮作（LDR：小扁豆 - 小麦 - 小扁豆 - 小麦，LWLW）、中等多样化轮作（MDR：豌豆 - 小麦 - 小扁豆 - 小麦，PWLW）和高多样化轮作（HDR：豌豆 - 芥菜 - 小扁豆 - 小麦，PMLW），每个处理设置 4 个重复。在作物种植过程中，采用免耕技术，这是当地常见的土壤和水资源保护措施。在数据收集方面，对作物产量、土壤和植物样本进行了详细分析，比如测定作物的蛋白质产量、肥料氮利用效率（PFPN?）、水分利用效率（WUE）等指标，同时对土壤碳、氮含量等进行检测。在数据分析上，运用了 SAS 统计软件的 PROC MIXED 模型，并进行主成分分析（PCA）等。
研究结果
1. 农艺、经济和环境指标
在小麦作物阶段，随着轮作多样化程度的增加，谷物产量、WUE、PFPN?和经济回报都有所增加，而碳足迹减少。例如，与 WWWW 相比，LWLW、PWLW 和 PMLW 的产量分别提高了 8%、14% 和 14%，经济回报分别提高了 14%、24% 和 24%。在种植系统层面，蛋白质产量、WUE、PFPN?和经济回报同样随着多样性的增加而增加，碳足迹减少。如与 WWWW 相比，LWLW、PWLW 和 PMLW 的蛋白质产量分别提高了 22%、36% 和 33%。
2. 部分氮平衡和土壤矿质氮
在 8 年的研究期间，4 种轮作的部分氮平衡没有显著差异，但小麦单作的氮平衡和变化最大。在 8 年研究结束时，仅在 0 - 15cm 土壤层观察到土壤残留氮的显著差异，更深土层无差异。
3. 秸秆碳输入和土壤有机碳
轮作中豆类作物的多样化使秸秆碳输入减少，但土壤有机碳（SOC）水平并未降低。8 年轮作结束时，各处理的 SOC 水平均比基线水平有所提高。
研究结论与讨论
这项研究表明，多样化轮作，即使是中等程度的多样化，也能有效提升生态系统服务。多样化轮作增加了产量，提高了资源利用效率，减少了碳足迹，同时促进了土壤肥力的积累。
多样化轮作的产量优势不仅与作物种类数量有关，还与豆类作物的生物固氮作用有关。在资源利用效率方面，多样化轮作增强了氮循环，提高了PFPN?，减少了碳足迹。在土壤碳氮方面，多样化轮作虽然秸秆碳输入减少，但仍能增加 SOC，且豆类作物对土壤氮的贡献主要在土壤表层。
此外，多样化轮作在经济回报和环境质量之间存在协同效应，这强调了平衡经济收益和长期可持续性的重要性。多样化轮作系统还能提高种植系统对气候变化的适应能力，增强系统的弹性。
总的来说，该研究为农业可持续发展提供了重要依据，在实际农业生产中，合理选择豆类作物进行多样化轮作，有助于实现粮食生产、环境保护和经济效益的多赢局面，对保障全球粮食安全和生态环境健康具有重要意义。
