在中国亚热带地区，利用中华紫云英作为绿肥可以同时减少氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料的施用量，同时提高水稻产量和土壤肥力

《Applied Soil Ecology》：Chinese milk vetch as green manure enables simultaneous NPK fertilizer reduction while enhancing rice yield and soil fertility in subtropical systems

　　

Tahir Shah | Muhammad Sufhan Tahir | Adnan Anwar Khan | Muhammad Fraz Ali | Sadam Khan | Muhammad Riaz | Yajun Gao | Qiang Zhu

西北农林科技大学自然资源与环境学院，中国杨凌市，邮编712100

摘要

化学肥料（CF）可以在短期内提高水稻产量；然而，过量使用会对土壤的可持续性和长期产量稳定性带来风险。绿肥（GM），特别是中国乳豆（Astragalus sinicus L.，简称MV），被广泛用于部分替代氮（N）肥料。然而，在亚热带单作物系统中，GM是否可以同时减少氮、磷和钾（NPK）这三种大量营养元素的施肥量，同时保持水稻的生产力和土壤肥力，目前尚缺乏足够的探索。为了解决这一差距，我们进行了一项为期2016年至2022年的长期田间试验，包括2018年至2021年的产量监测和2020年至2021年的植物-土壤参数评估，以研究MV与减少CF用量对水稻生产力和土壤肥力的影响。试验设置了六种处理方式：对照组（CK）、推荐量的100% CF（F100）以及100%、80%、60%和40% CF + MV（分别表示MF100、MF80、MF60和MF40）。结果表明，MF80处理方式是最优组合，其平均稻谷产量比F100高出13.74%，同时提高了NPK的吸收量并改善了土壤化学性质。随机森林模型分析显示，GM投入是预测稻谷产量的最强因素，而CF对产量预测的贡献较小。偏最小二乘路径模型进一步揭示，尽管CF会因改善土壤性质而负面影响稻谷产量，但GM通过改善土壤性质和养分吸收间接提升了产量，突显了生物营养投入相对于化学营养投入的机制优势。这些发现首次在亚热带水稻系统中证明了，将GM与NPK肥料用量减少20%相结合，可以同时提升农艺表现、土壤健康和资源利用效率，为可持续的水稻生产提供了实用且可推广的策略。未来的研究应进一步评估在不同土壤和气候条件下的GM-CF整合效果，特别是在经济可行性、微生物机制以及应对气候变化的能力方面。

引言

在人口不断增长的背景下，能够提高作物产量、维持长期可持续性并促进生态系统恢复力的可持续农业实践对于确保食品安全至关重要（Bailey-Serres等人，2019；Xing等人，2025）。中国是世界上最大的水稻生产和消费国，对全球粮食安全具有重大影响（Tang等人，2022；Xin等人，2020）。根据中国的农业发展目标，当前战略重点在于提高生产力并增强可持续性（Cai等人，2023）。化学肥料（CF）在提高作物生产力和土壤质量方面发挥着关键作用。然而，氮（N）肥料的过度使用会损害水稻的营养价值并降低氮利用效率（NUE）（Coggins等人，2025；Yu等人，2022）。磷（P）肥料可以提高作物产量，但其过量施用可能导致土壤退化和水体富营养化（Khan等人，2025）。同样，钾（K）的过量施用会破坏土壤阳离子平衡并降低肥料利用效率（FUE）（Cao等人，2026；Chen等人，2024）。因此，在减少NPK用量的同时实现高水稻产量成为亚热带水稻系统可持续养分管理的目标。

过去几十年里，中国实施了先进的农业技术，包括优化的施肥策略，以提高肥料利用效率（FUE）和稻谷产量（Zhuang等人，2022）。其中，绿肥（GM）是一种关键策略，可以部分替代CF，以较少的环境影响维持或提高作物产量（Li等人，2020）。利用GM可以提高NUE，从而增加养分的有效性，进而减少CF的用量（Lyu等人，2023）。豆科GM作物，如豇豆、扁豆和太阳麻，通过调节根际环境改善了土壤中磷和钾的利用率。这些作物还能增强土壤结构，促进根系分泌物分泌，并在减少CF用量的同时提高养分有效性（Dengia等人，2024；Wang等人，2024）。其他养分管理策略，如堆肥、基于肥料的改良剂、生物炭和植物生物刺激剂，也被证明可以提高养分有效性并改善作物表现，从而为减少对CF的依赖提供了可行方案（Gao等人，2025；Haider等人，2025；Quille等人，2025）。然而，这些技术在田间应用时常常受到养分组成不均、肥料释放缓慢、运输成本较高或在不同环境中的表现不一致的限制（Ali等人，2025；Wang等人，2022）。相比之下，GM特别适合用于以水稻为主的作物系统，因为它可以方便地融入轮作体系，同时提供养分并改善土壤质量（Daba等人，2025）。

中国乳豆（Astragalus sinicus L.，简称MV）是中国南部亚热带地区水稻种植系统中常见的冬季GM作物（Yang等人，2022）。应用MV并减少40%的CF用量，可以使水稻产量维持稳定，并将FUE提高6.6%至31.1%（Xie等人，2024）。与单独使用CF相比，MV与CF的结合使稻草生物量分别提高了15%–16%，氮含量提高了4%–13%，氮吸收量提高了22%–30%（Meng等人，2019）。MV在土壤中分解时能释放缓释养分，满足水稻生长的养分需求（Zhou等人，2024）。此外，缓慢释放养分还可以减少淋溶和径流造成的氮损失（Lei等人，2022）。先前的研究显示，GM可以增加土壤中可利用的磷和钾含量，从而提高整体土壤肥力（Khan等人，2025；Wen等人，2021）。

尽管有这些好处，但关于基于GM的肥料替代机制的研究仍然有限。一些先前的研究集中在用GM部分替代矿物氮肥料上，结果表明，在减少氮输入的情况下，GM可以维持作物产量并改善土壤性质（Xie等人，2016；Zhang等人，2024；Zhong等人，2024）。然而，这些研究中磷和钾肥料的用量通常保持常规水平，这限制了对GM整体肥料减少潜力的评估。尽管一些研究表明GM可以提高土壤中磷和钾的有效性（Ma等人，2021），但仍缺乏对GM如何与减少NPK肥料用量相互作用的全面理解。此外，关于GM与减少NPK结合是否能在单季水稻系统中同时维持产量、改善土壤肥力和提高肥料利用效率的长期田间证据也有限。需要进一步的研究来制定平衡生产力和可持续性的优化养分管理策略。因此，我们进行了为期2016年至2022年的长期田间试验，以评估在单季水稻系统中结合使用CMV和减少NPK肥料的效果。我们假设，将MV与减少CF相结合会显著改善土壤健康和稻谷产量。本研究的目标是：（1）确定能够最大化稻谷产量的MV和减少CF的最佳组合；（2）评估这种组合对土壤养分动态的影响；（3）评估肥料利用效率（FUE）及其与稻谷产量的关系。

章节摘录

试验地点描述

该长期田间试验于2016年在中国湖北省武汉市的华中农业大学试验场启动（北纬30°28′，东经114°21′）。该地点位于长江流域的亚热带季风区，气候湿润，年平均气温为15–18°C，年降水量超过1100毫米。无霜期每年持续230至300天。试验地点的土壤被归类为黄褐色的粉粘土

稻谷产量、产量稳定性和可持续性

结果表明，GM与减少CF的综合使用显著提高了稻谷产量（图2A）。与F100相比，MF80和MF60处理的平均稻谷产量分别增加了13.74%和15.5%（图2A）。2020年和2021年，MF80处理的年产量分别高出8.9%和22.5%（图2B）。对照组（CK）的产量始终最低，约为4500–5000公斤/公顷，而所有GM-CF处理（MF100–MF40）的产量均高于CK和F100，介于5500–6400公斤/公顷之间。

研究表明，将GM与减少20%–40%的CF结合使用是一种可行的方法，可以有效维持或提高水稻生产力（Daba等人，2025；Zhang等人，2023a）。在本研究中，使用常规用量80% CF的GM处理在多年间实现了最高的稻谷产量（图2A）。具体数据显示，2020年MF80处理的产量增加了8.9%，2021年增加了22.5%（图2B），这证实了GM-CF组合在多变气候条件下的稳健性

结论

本研究强调了在中国南部的中季水稻种植系统中，将MV作为GM作物与减少CF结合使用的巨大潜力。使用推荐用量80%的CMV处理的平均稻谷产量比F100高出13.74%。这一改善归因于NPK吸收量的提高，尤其是在稻谷和秸秆中，以及土壤有机质（SOM）、总氮（TN）、可用磷（AP）和阳离子交换容量（AK）的改善。PLS-PM分析表明，虽然CF单独使用会对产量产生负面影响，但MV的结合使用起到了积极作用

Tahir Shah：撰写 – 审稿与编辑、原始稿件撰写、数据可视化、方法设计、研究实施、数据分析、概念化。Muhammad Sufhan Tahir：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、研究实施。Adnan Anwar Khan：验证、数据分析、数据管理。Muhammad Fraz Ali：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。Sadam Khan：验证、研究实施、数据分析。Muhammad Riaz：验证、研究实施、数据分析。Yajun

作者声明，本研究是在没有任何可能被解读为潜在利益冲突的财务或商业关系的情况下进行的。

本研究得到了湖北省重大科技项目（编号：2023BBA003）、国家自然科学基金（编号：32372818）以及CARS-绿肥专项基金（编号：CARS-22）的财政支持。