《Field Crops Research》：Green manure co-application boosts arid agroecosystem sustainability: Mixed sowing of feed rape and hairy vetch modulates N input and enzymes for optimized wheat production
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长期绿肥轮作系统对土壤碳氮及酶活性协同效应的研究表明，混合种植苜蓿与紫云英可提升土壤有机碳（+7.2%-13.6%）和全氮（+8.9%-11.0%），激活水解酶（+13.8%-30.6%）和磷酸酶（+6.3%-20.9%），显著提高小麦产量（+5.1%-21.1%）及稳定性（+17.8%）。
余茹 | 周杰 | 张方迪 | 宋嘉申 | 王静 | 李晓斌 | 张华 | 曹菊峰 | 李小红 | 刘汉江 | 张宏远 | 李玉义
中国耕地高效利用国家重点实验室（中国农业科学院农业资源与区域规划研究所，北京100081，中国）
摘要
背景
将绿肥纳入作物系统中已被广泛倡导为一种提高土壤肥力和作物生产力的可持续策略，尤其是应用绿肥混合物时。然而，关于这些农业生态效益的定量信息仍然有限，特别是在长期作物产量、产量稳定性和土壤质量指数（SQI）方面。
目的
本研究的目的是通过为期9年的田间试验，调查小麦-绿肥作物系统的产量表现和产量稳定性，并阐明关键的土壤生态机制（包括碳和氮的输入、与养分相关的酶以及土壤质量指数），以确定最佳的绿肥返还策略。
方法
本研究在内蒙古河套灌区一个典型的低肥力农田中进行了为期9年（2015–2023年）的田间试验，设置了三种绿肥作物系统（油菜（FR）、毛苕子（HV）以及油菜和毛苕子的混合播种（FR+HV）和一个传统处理（收获后休耕，CK），以研究其对于绿肥生物量提供的碳和氮输入、酶活性、土壤质量指数、小麦产量和产量稳定性的影响。
结果
研究结果表明，与CK相比，FR、HV和FR+HV在碳和氮的输入效率方面表现更优，土壤有机碳（SOC）水平增加了7.2%-13.6%，总氮（TN）含量增加了8.9%-11.0%。酶分析显示，营养循环相关的水解酶活性显著增强：亮氨酸氨基肽酶和碱性磷酸酶的活性分别增加了13.8%-30.6%和6.3%-20.9%。值得注意的是，FR+HV对微生物功能具有协同效应，使得β-葡萄糖苷酶（8.5%-9.9%）、β-木糖苷酶（25.2%-40.6%）、纤维素酶（24.7%-50.1%）和碱性磷酸酶（9.0%-20.9%）的活性相对于单一种植处理和CK有所提高。综合来看，FR+HV系统使土壤质量指数提高了8.53%-9.85%，相应的产量也提高了5.1%-21.1%。FR+HV还表现出更高的产量稳定性（17.8%），并且其穗密度、每穗粒数和千粒重均优于其他处理。从机制上讲，绿肥提供的氮输入促进了酶的激活，这是提高产量的关键途径。
结论
这些发现表明，两种绿肥（油菜和毛苕子）的联合施用能够调节土壤中的氮动态，从而刺激土壤酶活性，进而提高小麦的生产力。
意义
我们提出将FR+HV联合施用作为一种可扩展的农业生态实践，以在干旱灌溉农田中同时实现土壤健康和产量可持续性。
引言
虽然化学肥料和集约化种植系统显著提高了传统农业生态系统的农业生产力，但这些传统做法也导致了土壤退化和环境恶化（Li等人，2019年）。当前的农业系统面临着巨大的挑战，需要在作物生产和环境可持续性方面取得协同进展，同时还要应对资源限制、环境退化和人口增长的持续压力（Wu等人，2024年）。这一范式要求在农业生产中同时优化产量最大化和环境影响缓解（Liu等人，2025年）。因此，开发和实施多样化的农业实践对于应对这些当代挑战至关重要（Yang等人，2023年）。
基于绿肥的作物系统为应对现代农业集约化的挑战提供了可持续的解决方案，通过提高作物生产力和改善土壤质量来双重受益，同时减轻环境影响（Yang等人，2023年）。田间实验证据表明，施用豆科或非豆科绿肥可以通过优化的残渣分解过程增加土壤有机碳和氮的可用性（Lee等人，2010年；Lal，2017年；Zhang等人，2019年）。然而，报道的效益并不总是统一的。元分析一致显示，施用绿肥平均可使产量增加5%-20%（Ma等人，2021年；Zhao等人，2022年），但实际反应因绿肥类型、土壤和试验年份而异（Raheem等人，2019年；Ma等人，2021年）。这种不一致性主要源于碳氮（C/N）动态和情境依赖性的差异。豆科绿肥通常能提高氮的可用性，但由于其较低的C/N比（约15:1）而分解较快，限制了长期碳的固定。相反，非豆科植物（C/N比约25-40:1）能促进土壤有机碳的积累，但可能导致暂时性的氮固定（Xu等人，2024年；Yu等人，2026年）。豆科-非豆科混合系统理论上可以结合两者的优势，同时缓解各自的局限性，尽管针对特定物种组合的机制证据仍然不足。例如，油菜（高生物量的十字花科植物）和毛苕子（固氮豆科植物）的混合物可能通过生物化学和生态协同作用获得更好的结果。首先，它们中等的C/N比（约20-25:1）平衡了氮的释放和碳的保留，优化了微生物的启动效应（German等人，2017年；Liu等人，2023a）。其次，它们不同的根系结构——毛苕子能够利用深层土壤中的氮，而油菜则能有效吸收表层养分，减少了竞争性生态位重叠（Zhou等人，2021a；Yu等人，2026年）。尽管有这些理论优势，但直接比较这些混合系统与其单一种植系统的长期表现和机制的证据仍然缺乏。
土壤酶作为微生物驱动的生化过程的关键中介，对维持土壤肥力和养分循环效率至关重要（Curtright和Tiemann，2021年）。豆科和非豆科绿肥都能增加土壤酶活性，其中豆科绿肥的催化潜力更强（Hu等人，2024年），并且混合种植系统的表现优于单一种植系统（Thapa等人，2021年；Xiang等人，2022年）。这种增强可能源于它们互补的生化特性：豆科植物通过低C/N比的残渣快速矿化氮，而非豆科植物提供结构碳，维持长期的微生物活性（Piotrowska和Wilczewski，2012年；Liu等人，2024年）。这种生化协同作用可能调节酶的化学计量比，以更好地满足作物的养分需求（Zhao等人，2024年；Liu等人，2024年）。尽管有这些理解，但仍存在一个关键的知识空白：关于豆科-非豆科相互作用（特别是油菜-毛苕子混合物）带来的不同C/N输入模式如何驱动土壤酶功能的特定变化，以及这些酶反应如何转化为可预测的产量结果的定量和长期田间数据仍然不足。此外，大多数研究关注的是短期效应，忽略了微生物群落的适应动态（Hu等人，2023年）。因此，进行长期试验对于阐明酶化学计量比与作物产量表现之间的联系至关重要。
内蒙古河套灌区是中国优质春小麦的重要生产基地。然而，收获后的长时间休耕期（约90天）导致光/热资源利用不理想（Wang等人，2018年）。在这一休耕期内引入绿肥种植是一种有前景的农业集约化策略（Sebastià等人，2019年；Chang等人，2025年），但其长期农艺和土壤生态效益的系统评估仍然有限。为了解决这些不足，我们进行了为期9年的田间试验（2015–2023年），有三个目标：（i）评估不同类型绿肥对春小麦生产力和产量稳定性的长期影响；（ii）量化它们对土壤质量的综合影响；（iii）阐明绿肥提供的碳和氮输入及其对土壤酶活性的变化对产量改善的机制贡献。我们假设：油菜（高C/N比）和毛苕子（低C/N比）的联合施用会对土壤酶功能产生交互作用，从而优化小麦所需的养分矿化，因为这种豆科-非豆科系统可以同时提高短期养分供应（通过毛苕子的分解）和长期土壤有机质的积累，在土壤质量和产量稳定性方面优于单一种植和/或休耕。
实验地点描述
实验地点
实验地点位于中国内蒙古巴彦淖尔市的园子排水试验站（37°27′N，116°19′E），年平均气温为3.7–7.6°C。年平均降水量和无霜期为188毫米和126天。田间土壤为粉壤土质地（Chang等人，2025年）。实验前的0–20厘米土壤基本性质如下：土壤有机碳为9.1克/千克；总氮为0.9克/千克；有效氮为73.1毫克/千克；有效磷为
植物生物量、绿肥提供的碳和氮输入
不同的绿肥处理对干生物量、碳和氮的输入有显著影响（p < 0.05，表S1）。2017年、2018年和2022年，FR和FR+HV处理的干生物量分别比HV高（图1a，b）。与HV相比，FR和FR+HV在2017年、2018年和2022年分别增加了51.9%-79.5%、58.4%-75.5%和41.8%-108.9%的碳输入（p < 0.05，图1c）。此外，2017年和2022年，FR+HV的碳输入分别比FR增加了18.18%和47.33%（p < 0.05，图1c）。
绿肥对碳和氮输入及土壤质量指数的影响
与我们的假设一致，混合播种绿肥对植物生物量以及随后的碳和氮输入有更大的积极影响（图1）。一方面，由于豆科和非豆科作物地上部分和根系的空间分布差异，混合播种会导致冠层高度和有效辐射截获的变化（Lin等人，2019年；Qian等人，2022年），从而导致
结论
这项为期九年的连续田间研究提供了关键的经验证据，支持通过系统阐明绿肥介导的作物增强机制来优化基于绿肥的作物系统，以实现可持续农业。我们的研究结果表明，绿肥的种植和施用提高了土壤中的碳、氮和磷的保持能力，同时增强了酶活性，从而使春小麦的产量提高了5.1%-21.1%
CRediT作者贡献声明
刘汉江：研究。
张宏远：写作——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论。
李玉义：写作——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论。
余茹：写作——初稿撰写、可视化、资源获取、调查、数据分析。
周杰：写作——审稿与编辑、概念化。
张方迪：验证、调查。
宋嘉申：验证、调查。
王静：写作——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划-青年科学家计划（2023YFD1901900）、国家自然科学基金（32401435、U23A2054）、“内蒙古科技促进行动”重点项目（NMKJXM202303）、CARS-绿肥专项基金（CARS-22）以及农业科技创新计划（ASTIP编号CAAS-ZDRW202407）的支持。
