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文献分享丨中国农业科学院刘恩科团队揭示轮作提高了青藏高原青稞产量和土壤质量

  • 2026-10-22 09:31:19
文献分享丨中国农业科学院刘恩科团队揭示轮作提高了青藏高原青稞产量和土壤质量

英文题目:Croprotation increases Tibetan barley yield and soil quality on the Tibetan Plateau

中文题目:作物轮作提高了青稞产量并改善了青藏高原的土壤质量

期刊名称:Nature Food

影响因子:23.6

作者单位:中国农业科学院

DOI:https://dx.doi.org/10.1038/s43016-024-01094-8

研究背景

青藏高原为全球约40%的人口提供用水。它的生态稳定性对亚洲农业和畜牧业的可持续发展至关重要。作为世界上海拔最高的高原,青藏高原由于年平均气温低、含氧量低,作物生长面临着挑战。青稞(Hordeum vulgare)是青藏高原主要粮食作物,占粮食总产量70%以上。但连续种植青稞会导致土壤退化、质量下降并导致产量降低。而作物轮作可增加环境可持续性、农业生态系统多样性和土壤质量。目前,青藏高原的轮作主要集中在畜牧业的牧草研究方面,在农业方面还有很大差距。为改善青藏高原的生态稳定性,有必要全面研究青藏高原主要粮食作物轮作对土壤质量和产量的影响。

研究路线

研究结果

01

西藏青稞轮作对产量的影响

在青藏高原地区共选择了39块青稞田进行土壤化学性质测试和产量统计。与CC5(≤5年CC)相比,CC10(5-10年CC)和CC10+(≥10年CC)的产量分别下降了10%和23%(图1)。CW5(≤5年青稞-小麦轮作)、CW10(5-10年青稞-小麦轮作)和CW10+(≥10年青稞-小麦轮作)的产量分别比CC5、CC10和CC10+高6%、9%和17%。CR5(≤5年青稞轮作)和CR10(5-10年青稞轮作)的产量分别比CC5和CC10高8%和12%。

图1.西藏青稞长期连作和轮作的平均产量。在CC5、CW5、CR5、CC10、CW10、CR10、CC10+、CW10+中,橙色代表CC,绿色代表CW,紫色代表CR。每种处理均使用生物学重复。数据以平均值±标准偏差表示。经邓肯多重比较分析计算,不同字母表示藏青稞产量之间存在显著差异。

02

连作与轮作的土壤差异

与短期种植相比,藏青稞长期连作和轮作都显著降低了土壤有机质(SOM)含量(图2a)。与CC相比,CW和CR明显增加了SOM含量。随着种植年限的增加,三种种植模式的SOM含量均有所下降。轮作模式的土壤微生物生物量碳(MBC)含量明显高于连作模式(图2b)。CR5和CR10的土壤MBC含量分别比CC5和CC10高23%和33%。两种轮作模式的土壤中的多溴联苯含量随着种植年限的增加而降低。

与连作相比,藏青稞与油菜轮作的三个轮作年的土壤全氮(TN)含量都有所增加(图2c)。与CC10相比,CW10显著增加了土壤TN含量。长期连作和轮作显著降低了土壤中的NH4+ -N含量(图2d)。CW和CR明显增加了土壤中的NH4+ -N含量。CW5和CR5的土壤NH4+ -N含量分别比CC5高25%和27%。CC5和CW5的土壤NO3- -N 含量明显低于CR5,CC10的土壤NO3- -N含量明显低于CR10(图2e)。CR10的土壤微生物生物量氮(MBN)含量比CC10高45%(图2f)。CW和CR的全磷(TP)含量明显高于CC(图2g)。CR5的TP含量明显高于CC5和CW5,分别增加了17%和5%。当种植时间小于10年时,土壤全钾(TK)含量与种植模式无明显差异(图2h)。CC的pH值明显高于CW和CR(图2i)。随着青稞连作和轮作年限的增加,土壤pH值也随之升高。

对西藏青稞田9种土壤性质的相关性分析表明,SOM与pH的相关性最高,且呈负相关。西藏青稞田中TK含量的变化与其他土壤特性无显著相关性,与TN的相关性最弱。西藏青稞田土壤碳、氮含量的变化与MBC和MBN含量的变化呈显著正相关。

图2.西藏青稞连作和轮作不同年份的SOM、MBC、TN、NH4+ -N、NO3- -N、MBN、TP、TK和pH的差异。橙色代表CC,绿色代表CW,紫色代表CR。CC处理:≤5,小于或等于5年;5-10,5-10年;≥10,大于或等于10年。在CC5、CW5、CR5、CC10、CW10、CR10、CC10+、CW10+中分别有n=24、n=15、n=18、n=15、n=9、n=9、n=18、n=9。每种处理均使用生物学重复。数据以平均值±标准误差表示。经邓肯多重比较分析计算,不同字母表示藏青稞产量之间存在显著差异。

03

连作和轮作的土壤质量指数(SQI)

SQI可用来衡量土壤退化程度和土壤健康状况。我们分析了不同连作年和轮作年的SQI。随着青稞连作年限的增加,SQI呈下降趋势,青稞连作CC5年和CC10+年的SQI下降趋势高于CC10年。CC5、CC10和CC10+的SQI分别为1.00、0.93和0.87。藏青稞与小麦和油菜长期轮作的SQI明显低于短期轮作的SQI。如果考虑同一种植年度,藏青稞连作的SQI在三个种植期的三种种植模式中最低。CR5和CR10的SQI高于CW5和CW10(图3a,b)。CW10+的SQI明显高于CC10+(图3c)。CW10+和CR10的SQI面积与CC5面积之比分别为1.15和1.21。从CC5到CC10范围内的SQI比从CC10到CC10+范围内的SQI下降得更快。CC的SQI下降速度快于CW和CR。

图3.同一种植年度三种种植模式下西藏青稞土壤的SQI。

讨论与总结

西藏青稞占青藏高原粮食总产量的70%以上。然而,连续种植青稞会造成土壤退化,降低土壤质量,导致产量下降。在此,我们探讨了青稞与小麦和油菜轮作的益处,以提高作物产量和土壤质量。我们在青藏高原进行了39项田间试验,比较了短期(≤5年)、中期(5-10年)和长期(≥10年)连作与青稞与小麦或油菜轮作的情况。结果表明,与长期连作相比,藏青稞-小麦轮作和藏青稞-油菜轮作的产量分别提高了17%和12%,土壤质量指数分别提高了11%和21%。西藏青稞与小麦和油菜的轮作都改善了土壤质量,从而提高了产量,这主要是通过增加土壤MBN和土壤MBC以及降低pH值实现的。相比之下,长期连作导致土壤有机质减少、土壤MBN降低和pH值升高,从而导致产量下降。轮作对作物产量和土壤质量的益处随着时间的推移而增加。因此,与小麦或油菜实行轮作是提高青藏高原粮食安全的一种可持续农业战略。
参考文献:

Wu, H., Liu, E., Jin, T. et al. Croprotation increases Tibetan barley yield and soil quality on the Tibetan Plateau. Nat Food (2025). https://doi.org/10.1038/s43016-024-01094-8.

END

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