多年生高价值牧草种子作物轮作提升加拿大西北部农田生产力、经济效益与氮素利用效率的研究

《Frontiers in Agronomy》：Crop diversification with high-value perennial seed crops drives profitability in crop rotations in northwestern Canada

本综述通过一项为期12年（2013-2024年）的长期田间试验，系统研究了在加拿大和平河地区暗灰色Luvisol土壤中，将多年生豆科与禾本科牧草种子作物引入轮作对系统生产力、经济效益及氮素利用效率（NUE）的协同提升效应。结果表明，间歇性引入红三叶草与草地雀麦等多年生作物，相比传统小麦-油菜年度轮作，可显著提高油菜当量产量（CEY）、总收入、毛利润及农学氮肥利用率，同时降低对外部氮输入的依赖，为构建气候适应型可持续农业生产系统提供了实证依据。

　　

1 引言

全球粮食安全持续受到气候变化的威胁，表现为作物对极端天气事件、病虫害及土壤生产力下降的脆弱性增加。优化作物生产力和维护土壤及环境健康，是增强粮食系统韧性与可持续性的关键。近年来，技术进步、高产品种及化学投入品的使用提高了生产效率，但化学依赖型生产方式也增加了成本，并带来温室气体排放、土壤退化、生物多样性丧失等环境生态问题。应对这些问题需要一个整合有益管理实践（BMPs）的系统性方法，其中作物多样化是再生土壤健康、改善养分循环的核心策略。

在加拿大西部，谷物、油籽和豆类的年度轮作因其简便易行和经济效益而最为常见。然而，长期局限于少数作物的轮作会损害土壤健康及维持作物生产力所需的生态系统功能。相反，在轮作中纳入更多作物种类，可以减少连作障碍，并可通过间作等方式保护土壤健康，提升长期生产力。一项覆盖草原各省的综合研究证实了多样化轮作的益处，但不同轮作的生产力表现存在显著的区域差异。例如，在相对湿润地区，以油籽为主的轮作显示出更高产量，而在较干燥地区，以豆类为主的轮作则表现出更强的恢复力并维持了生产力。

在和平河地区，多年生冷季牧草和草坪草适应了当地的Luvisol土壤和凉爽大陆性气候，使其能够被整合到年度作物序列中，用于生产高质量种子。一旦建植，多年生草场可产生多年的种子产量，尽管会随时间推移而逐渐下降，并通过减少年度重播需求、降低运营和投入成本来产生经济效益。此外，多年生牧草在生长季提供连续的地面覆盖，其广泛的根系可保护土壤免受侵蚀并改善土壤结构。这对于和平河地区易受侵蚀的区域尤其重要，因为维护土壤健康对长期农业生产力至关重要。

尽管增加多样性被认为可以改善生态功能和景观恢复力，但其对农场收入稳定性的影响在很大程度上仍是未知的，特别是在加拿大西部的和平河地区。此外，影响牧草种子产量的当地土壤条件与环境因素之间的复杂相互作用尚不完全清楚，这增加了优化生产的挑战。因此，该地区的多年生牧草种子生产面积正在减少。几种农业管理选项，如作物选择、种植模式和平衡施氮，可能有助于优化基于牧草种子作物的多样化种植系统的生产力和盈利能力。这些考量引出了本研究假设：与常规轮作实践相比，将多年生牧草种子作物整合到简化的年度作物轮作中，将提高系统生产力、氮素利用效率（NUE）和长期经济效益。为验证该假设，研究进行了一项为期十年的长期田间试验，以评估在年度经济作物轮作中包含牧草种子作物的累积系统生产力和相对经济优势，旨在确定适合加拿大和平河地区大陆性气候的经济高效作物序列。

2 材料与方法

2.1 试验地描述

田间试验于2013年在加拿大阿尔伯塔省西北部的比弗洛奇研究农场启动。该地点土壤主要为发育自湖积-冰碛物和冰川-湖相沉积物的暗灰色Luvisol。2013年采集的初始土壤样品分析显示，0-15、15-30和30-60厘米深度的有机质含量、pH值和容重。表层土壤为壤土质地，亚表层为粘壤土。该地区为大陆性气候，基于30年（1991-2020年）气象数据的平均年降水量为435毫米，其中50-60%的年降水量发生在主要生长季。然而，近年来春季和秋季过渡月份降水分布的季节性变化、极端降雨事件频率增加以及降雨间隔时间延长更为明显，导致了作物歉收。2013年至2024年生长季的月降水量和温度分布见下图。

2.2 试验设计

试验采用裂区设计，四次重复。主区为八种不同的作物序列，嵌套在主区内的副区在建立年份随机分配三种不同的氮（N）水平（0、45和90 kg N ha^-1）。所有副区宽2.5米，长8.0米，主区间保持0.6米的缓冲区。九种作物，包括两种多年生豆科牧草、三种多年生禾草和四种年度作物，构成了八种不同作物序列处理的各个阶段。关于各作物序列处理中每年种植作物的更详细信息可参见下表。

2.3 农艺管理

试验自2013年建立以来在免耕管理制度下进行。每年使用行距30厘米的播种机播种试验作物。播种时带状施用磷、钾、硫基肥。在多年生牧草生产年后，于秋季和春季两次施用广谱除草剂草甘膦以有效终止其生长并建立后续作物。整个生长季监测病虫害，但未发生需要施用农药的侵染。多年生作物残茬在收获后割除并均匀分布在小区内，以保持均质性并促进生殖分蘖的产生。

2.4 数据记录、产量采样、处理与分析

在生理成熟期，从每个处理副区的中间两行取样，测量种子和地上部生物量产量。植物样品风干至恒重，测定地上部总生物量产量。然后使用脱粒机脱粒，测量籽粒和秸秆产量。

从每个副区的清洁种子和脱粒秸秆中随机取子样，研磨后用干燃烧法测定植物样品中的氮浓度。组织氮浓度数据用于计算氮吸收量和表观肥料氮回收率。

2.5 油菜当量产量的计算

为统一比较不同序列，年度和多年生牧草作物的种子产量以油菜当量产量（CEY，kg ha^-1）表示。CEY使用以下公式计算：CEY (kg ha^-1) = 非油菜作物的种子产量 (kg ha^-1) × [非油菜作物的价格 (kg^?1)/油菜作物的价格(kg^-1)]。油菜和非油菜种子的价格取自农业金融服务公司，使用年度平均价格进行计算。每个处理副图的累积CEY通过累加种植制度下种植的各个作物的CEY来计算。

2.6 总收入和毛利的计算

总收入基于2013年至2024年每种处理序列中种植的所有作物的种子产量计算。每年种子产量乘以相应作物的种子年平均销售价格，各年总和即为累积总收入。毛利计算为各处理副区总收入与可变成本之间的差额，可变成本包括种子与播种、肥料与施肥、除草剂与施药、割草、收获和储存等费用。其他如设备维修、折旧、地租、共同运营成本、保险和财产税等成本未纳入分析，因其在不同作物序列间无差异。

本研究仅以种子产量作为作物生产力的衡量指标，未包括牧草生物量作为经济产出。这与研究地点作为主要牧草种子出口区的实际情况相符，当地对干草或生物量利用需求有限，使得种子产量成为最相关且最具经济意义的指标。

2.7 种植系统的氮素利用效率

为统一比较不同作物序列，从地上部生物量产量和基于CEY的农学NUE两方面计算NUE。地上部生物量NUE和基于CEY的农学NUE计算公式如下：

地上部生物量 NUE (kg kg^-1) = [施氮量Nk下的生物量产量 - 不施氮（N0）下的生物量产量] / Nk

基于CEY的农学 NUE (kg kg^-1) = [施氮量Nk下的CEY - 不施氮（N0）下的CEY] / Nk

其中，Nk为施氮量（45或90 kg ha^-1），N0为不施氮。

2.8 氮吸收与表观肥料氮回收率

2023年和2024年种植作物的氮吸收量（kg ha^-1）通过将干燥样品生物量（秸秆和籽粒）乘以相应的氮浓度来计算。表观肥料氮回收率（ANR, %）计算如下：ANR (%) = [(施氮量Nk下的氮吸收量 - 不施氮对照区的氮吸收量) / Nk] × 100。

2.9 统计分析

所有数据分析使用SAS软件，遵循裂区设计的标准程序。在分析前检验了正态性和方差齐性假设。使用PROC GLIMMIX程序分析数据，使用Kenward-Roger近似法确定处理因子的自由度。作物序列和氮水平视为固定效应，而区组及其与作物序列、氮的交互作用视为随机效应。数学模型表达式为：Y_ij= μ + B_i+ S_j+ (BS_ij) + N_k+ (SN)_jk+ ε_ijk。当发现处理间存在差异时，使用Tukey's HSD程序在5%显著性水平下分离均值。

3 结果与讨论

3.1 2013-2024年累积CEY

在2013-2024年的生产年间，作物序列与氮处理间的交互作用对累积CEY有显著影响。豆科到春化禾草轮作（S₄，间歇性出现红三叶草然后转为草地雀麦阶段）在三种氮水平下产生的CEY均高于其他作物序列。该序列中较高的CEY主要受2023年和2024年草地雀麦种子较高产量和溢价驱动。草地雀麦种子产量在2023年和2024年分别为2420和910 kg ha^-1，显著高于该地区平均水平，且其种子价格在2023年和2024年分别约为油菜的8倍。值得注意的是，近年来多年生牧草如草地雀麦的种子价格与油菜相比大幅上涨，这表明了利用新兴市场需求的机会。相比之下，无论氮肥力水平如何，白三叶草到梯牧草轮作（S₅）记录的CEY较低，原因是白三叶草种子生产力较低，以及梯牧草因天气变异导致的生殖异步性和减产。羊茅主导的序列（S₇）的CEY高于梯牧草和三叶草整合的作物序列，与年度作物为基础的序列（S₁和S₂）相当。鉴于羊茅物种在改善土壤结构、增强养分循环、增加土壤有机质及提高水分入渗和保持方面的生态生理效益，将其纳入作物多样化可能是该研究区域的可持续途径。

3.2 12年作物序列的总收入

总收入受作物序列、氮水平及其交互作用的显著影响。最高的总收入记录自豆科到春化禾草轮作（S₄），高于年度基础和其他的多样化作物序列。如前所述，该轮作的经济优势主要受不同作物的价格和产量影响。较高的种子价格促成了豆科到春化禾草轮作序列总收入的显著增加。相反，总收入最低的作物序列是豆科到非春化禾草轮作（S₅，间歇性出现白三叶草然后转为梯牧草阶段），这主要是由于梯牧草和白三叶草在生产阶段的较低生产力。了解作物适应行为和经济动态对于在气候变异和市场条件变化下制定有恢复力的作物轮作策略至关重要。不同的牧草为基础序列（S₆、S₇和S₈）的总收入与年度种植系统（S₁和S₂）相当，与不同施氮量无关。这一结果表明，管理良好的多年生整合种植系统可以作为经常性年度作物轮作的可行替代方案，增强农场收入的恢复力。

3.3 12年作物序列的毛利

毛利被认为是多样化种植系统经济可行性的主要指标。总体而言，最高的毛利记录自豆科到春化禾草轮作（S₄），平均为21,143加元 ha^-1，最低的在豆科到非春化禾草轮作（S₅），平均为1,688加元 ha^-1。豆科到春化禾草轮作在所有氮水平下始终表现出较高的毛利。2023年和2024年草地雀麦的高产量和强劲的市场价格推动了S₄序列的盈利能力，凸显了了解作物适应性和市场信号的重要性。丰富的文献证实了多样化种植系统的经济可行性。尽管利润幅度取决于作物，但多样化可以通过减轻与极端天气、病虫害暴发、产量损失和价格波动相关的风险来促进更好的财务结果。具有互补生长特性和资源需求的作物的深思熟虑选择，可以通过降低投入成本来提高利润幅度。总体而言，战略性作物规划可以提高多样化农业系统的效率，降低投入成本，并改善利润幅度。

农场盈利能力由较高产量和通过减少或适当替代肥料和农药等投入而节省的成本共同驱动。通过过度使用投入超过最佳水平实现的高作物产量可能导致收益递减，即额外投入不会按比例增加产量但会提高成本。正如预期的那样，观察到大多数多样化处理序列的氮水平从0增加到45 kg N ha^-1时毛利有显著改善。然而，进一步增加到90 kg N ha^-1并未产生显著的经济效益。这些发现强调了在包含年度或多年生豆科的种植系统中微调氮管理的潜力。过量的氮可能引发环境问题，因此合理的氮肥对于提高多样化种植系统的生产力和减少环境足迹至关重要。

3.4 2013-2024年累积地上部生物量产量

在2013-2024年期间，作物序列、氮水平及其交互作用对累积地上部生物量产量有显著影响。与传统和多样化年度种植系统相比，传统和多样化年度种植系统（S₁和S₂）在所有施氮水平下始终产生更高的地上部生物量产量。在多年生牧草为基础的系统中，豆科到春化禾草轮作（S₄）产生最高的地上部生物量产量，而草坪草到豆科轮作（S₇）的地上部生物量产量最低。在间歇性包含红三叶草和草地雀麦的作物序列中，高的地上部生物量产量与2023年和2024年有利天气和作物生长条件下草地雀麦异常高的种子产量同时发生。相反，匍匐红羊茅较低的地上部生物量产量导致草坪草到豆科轮作在所有氮水平下的总体地上部生物量生产力降低。众所周知，多年生禾草具有高根冠比，有助于土壤健康和其他生态系统服务。多年生生长习性，以更多地分配资源到地下部生物量为特征，可以增强碳固存，并有助于减轻气候变化风险。

年度种植系统中增强的地上部生物量生产力主要归因于它们对氮肥的较高响应。这种响应性是由于它们有效吸收和利用有效氮，导致生长速率加快和产量提高。相比之下，具有多年生禾草和豆科的牧草为基础序列通常表现出较慢的初始生长，并将较大比例的资源分配给根系发育，这可能导致与年度为基础序列相比地上部生长较慢。还需注意的是，多年生植物的地上部生物量产量测量仅在生产阶段（作物建植后一年）进行，因为在该地区，建植年的植物生长不足以证明收获的合理性。排除建植年的多年生生物量部分导致了在多年生牧草为基础的多样化序列中观察到的较低地上部生物量产量。还观察到，施用45 kg N ha^-1时地上部生物量产量大幅增加，在更高氮水平下未实现进一步的产量提高。因此，多年生作物由于较低的氮需求和更大的地下部生物量输入，有助于可持续农业生态系统。

3.5 氮素利用效率

2013年至2024年作物序列处理的平均NUE指数汇总于下表。在45和90 kg N ha^-1两种施氮水平下，最高的农学NUE出现在多年生豆科到春化禾草轮作（S₄），其次是45 kg N ha^-1下的传统年度轮作（S₁）。虽然年度作物通常表现出比多年生作物更高的农学NUE，但产量特异性氮效率在多年生牧草为基础序列中可能更高。多年生豆科到春化禾草轮作序列中较高的农学NUE，主要是由于2023年和2024年草地雀麦较高的种子产量，显示出通过改善吸收和同化将施用的氮转化为籽粒产量的更高效率。相反，作物序列S₅、S₆和S₈在两种施氮水平下表现出最低的农学NUE。作物序列间农学NUE的变化幅度很大程度上受不同作物种子产量的影响，而种子产量在作物物种间差异很大。大量研究证实，农学氮利用效率受作物类型和品种、生长特性、生长季天气和农艺管理实践的影响。

与农学NUE类似，地上部生物量NUE在不同作物序列处理间差异很大。最高的地上部生物量NUE出现在两种氮水平下的传统年度轮作，表明其利用土壤施氮进行地上部生物量和籽粒生产的强大能力。年度作物通常表现出比多年生作物更高的地上部生物量NUE，这是因为它们快速的生长速率、较短的生命周期和密集的养分吸收模式。年度作物通常分配更多资源到地上部生物量和种子生产，而多年生禾草往往分配更多资源到根系发育。这些差异解释了为什么年度作物表现出比多年生作物更高的地上部生物量NUE。先前的研究表明，年度作物严重依赖外部肥料投入，而多年生作物则依靠强大的根系和微生物共生来保持和循环养分。

3.6 不同氮肥下各种作物的组织氮浓度、氮吸收及表观施氮回收率

如下表所示，秸秆和籽粒的氮浓度和吸收受处理交互作用的影响。正如预期，在2023年和2024年，豆科物种植物组织中的氮浓度均高于年度谷物和多年生禾草。先前的研究报告称，豆科植物已进化出机制来维持茎和种子中的高氮浓度。自然地，与根瘤菌的固氮共生有助于积累更多的氮并维持豆科植物组织中较高的氮浓度。然而，尽管氮浓度较高，豆科植物通常表现出较低的光合速率和每单位植物氮的植物生长率。相反，谷物通常在氮的光合利用方面更有效率，因为它们将更多的氮投入到光合酶中，并且每单位叶片组织氮具有更高的碳同化率。

虽然组织氮浓度随氮水平增加而增加，但由于作物物种的差异，氮吸收在不同作物序列处理间差异显著。观察到的秸秆和籽粒氮吸收的变异归因于在测试处理序列下生长的作物间地上部生物量生产的差异。例如，2024年白三叶草的籽粒氮浓度最高，但由于种子产量低，其吸收量属于最低之列。相反，2023年和2024年记录的最高籽粒氮吸收出现在小麦中，这归因于与其他测试作物相比其较高的种子产量。在外部氮供应下，年度作物通常在类似环境条件下实现比多年生作物更大的生物量积累和更高的产量。结果表明，年度谷物作物往往具有更大的总氮吸收量，可能是因为它们能够有效利用有效氮。在ANR中观察到类似的结果，因为年度作物记录了最高的回收率，并表现出优越的肥料氮吸收。与谷物不同，多年生豆科对施用的氮肥反应较小，因为它们主要通过共生固氮来满足其氮需求。此外，ANR计算仅考虑了肥料来源的氮吸收，不包括任何大气氮固定的贡献。豆科植物固氮能力可能使其对肥料氮的吸收反应较差，导致较低或负的氮回收率。类似地，豆科植物留在土壤中的氮可能多于吸收带走的氮，导致负的ANR值。对豆科植物过量施氮甚至可能抑制根瘤形成和固氮，表明存在复杂的生态生理反馈机制相互作用。

4 结论

这项长期研究阐明，在年度轮作中战略性整合多年生牧草种子作物可以增强农艺生产力、氮素利用效率和经济回报，从而加强生产系统的恢复力。盈利能力由具有强大农业气候适应性和有利市场价格的作物物种塑造，红三叶草和草地雀麦的间歇性纳入证明了这一点。45 kg N ha^-1的氮肥施用优化了跨作物序列的经济效益，而更高的施氮量（90 kg N ha^-1）则产生收益递减，凸显了合理氮肥管