《Plant and Soil》：Integrating legumes to enhance cereal production: The relative inputs of fertiliser nitrogen and legume biological nitrogen fixation in major wheat and maize producing countries
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本文综述探讨了通过轮作或间作将豆科作物融入小麦和玉米主导的种植体系，以减少对氮肥依赖的潜力。文章评估了豆科生物固氮（BNF）对全球主要谷物生产国的氮素贡献，比较了豆科残留氮与谷物氮吸收及氮肥施用量的关系，并分析了增加豆科种植面积以匹配当前氮素需求的可行性，最后概述了鼓励农户采用豆科作物的策略。
豆科作物在农业中的利用
全球范围内，豆科作物主要通过生物固氮（BNF）为农业系统贡献氮素。这包括作为粮食（如大豆、花生、各种食用豆类）和饲料（如苜蓿、三叶草）的豆科作物。将它们整合到以谷物为主的种植体系中，可以改善土壤肥力，减少对合成氮肥的依赖，并提升系统韧性。
谷物豆科作物
全球每年种植的食用豆类（Pulses）和油料豆类（如大豆、花生）总面积约为2.51亿公顷，年产量达4.95亿吨。其中，大豆是主导作物，其固氮量占全球谷物豆科作物固氮总量的70%以上，主要分布在南美洲和北美洲。食用豆类如鹰嘴豆、豌豆、小扁豆、蚕豆等，则在亚洲、欧洲等地广泛种植。这些作物通过BNF提供氮素，其固氮量因物种、地区和种植系统而异。
饲料豆科作物
超过三分之一的农业用地为草地和牧场，饲料豆科作物（如苜蓿）在其中扮演重要角色。苜蓿是全球最重要的饲料豆科作物，每年通过BNF贡献大量氮素。豆科牧草不仅能提供优质饲料，其残留的根系和根瘤还能显著增加土壤氮储量和有机碳，对后续作物生长有益。
豆科作物作为绿肥、褐肥或覆盖作物
豆科作物可作为绿肥（在生长季翻压）或覆盖作物（在非主作季节种植）使用，以此减少土壤侵蚀、抑制杂草并增加土壤氮。在温带地区，豆科覆盖作物能有效捕获土壤中残留的氮素，减少淋溶损失。然而，在干旱半干旱地区，覆盖作物可能消耗土壤水分，对后茬谷物产量产生负面影响。
豆科作物对谷物生产力和氮吸收的影响
大量研究表明，在轮作或间作系统中引入豆科作物，能显著提高后续小麦和玉米的籽粒产量和氮吸收量。这种促进作用源于多种因素：豆科作物残留物提供的氮素、作物多样性对病虫害的抑制、土壤结构的改善以及水分利用效率的提高等。例如，在豆科-谷物轮作中，后茬谷物的氮肥需求量可降低20-125公斤/公顷。豆科与谷物的间作体系则能通过生态位互补，更高效地利用光、水、养分资源，往往实现更高的土地当量比。
豆科作物在主要谷物生产国及其氮动态
对中国、印度、美国等15个主要小麦和玉米生产国的分析表明，这些国家种植的豆科作物贡献了全球大部分由谷物豆科固定的氮（约32.2太克）。然而，豆科作物的种植面积与谷物面积之比在各国差异很大。在印度，豆科作物面积较大，理论上大部分小麦和玉米可轮作豆科；而在中国、巴基斯坦等国，谷物面积远大于豆科作物面积，可能只有不到20%的谷物能从豆科前茬中受益。豆科作物固定的氮及其残留氮对系统氮素的净贡献，受豆科物种、管理水平、残留物处理方式（如是否还田）以及气候条件的强烈影响。
豆科作物对间作谷物的影响
谷物与豆科作物间作是一种高效的种植模式。在这种模式下，豆科作物通过BNF获取氮，减少了与谷物对土壤氮的竞争，从而使谷物能更有效地吸收土壤中的氮（包括残留肥料氮）。同时，豆科作物可能通过根系分泌物或菌丝网络向邻近的谷物转移少量氮。研究表明，间作谷物的氮吸收量和籽粒蛋白质含量通常高于单作。这种体系尤其适合小农户，有助于提高资源利用效率和农业系统的稳定性。
综上所述，将豆科作物融入谷物生产系统，通过生物固氮提供氮素，是降低氮肥投入、提高产量稳定性、促进农业可持续发展的重要途径。其效益的充分发挥需要根据具体的地理环境、生产系统和市场需求进行精细化管理。
