中国农业大学｜张福锁院士团队丛汶峰教授课题组揭示作物轮作协同“产量-营养-收益”三赢新路径 推动农业绿色可持续发展

10月29日，国际顶级期刊《自然通讯》（Nature Communications）在线发表了中国农大养分资源高效利用全国重点实验室、植物-土壤相互作用教育部重点实验室、资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院丛汶峰教授、张福锁院士，联合草业科学与技术学院荆晶莹副教授、美国明尼苏达大学David Tilman院士等在农业绿色发展领域取得的最新成果《作物轮作协同提升产量、营养与收益》（Crop rotations synergize yield, nutrition, and revenue: a meta-analysis）。

该文章源于团队30多年从事多样化种植理论研究与生产实践，基于农业绿色发展多目标协同理论，系统阐述并定量了作物轮作协同提升产量-营养-收益三赢新路径，为农业可持续发展提供了全新的解决思路和方案。

在全球人口持续增长与饮食结构升级的双重压力下，如何通过农业系统转型同时实现粮食安全、营养均衡与农民增收，已成为联合国可持续发展目标（SDGs）的核心挑战。尽管作物多样化被广泛认为是可持续集约化的关键路径，但长期以来，从单一种植向轮作系统转型可能引发的产量-营养-收益三重权衡关系缺乏系统量化。尤其值得注意的是，全球近50%耕地具备发展多样化种植的潜力，如何在区域尺度设计最优作物序列以突破生产瓶颈，仍是农业生态学领域的重大科学难题。

全球作物轮作效应

该研究通过系统分析全球3663组田间试验数据，首次在全球尺度上整合了1980–2024年间全球738个试验的观测数据，涵盖六大洲主要农业区，系统比较了轮作与连作在以下方面的差异。研究发现：在产量方面，轮作平均提高后续作物产量20%，其中豆科前茬作物提升23%，非豆科前茬作物提升16%。

图1 全球不同生态区轮作增产效应及前茬作物效应

图2揭示了前茬作物的类别和物种对后茬作物产量存在显著影响。豆科作物作为前茬可使后茬谷物平均增产20%，而混作（不同功能组作物间作）效果更佳，可使后茬谷物产量激增60%。具体物种组合中，蚕豆作为小麦的前茬优于鹰嘴豆或豌豆，而棉花与玉米轮作也能相互带来很高的产量增益。这表明，科学设计轮作序列是缩小产量差距的关键。

图2 轮作系统前茬作物类别或物种对后茬作物的产量效应

作物产量-营养-收益协同

图3从整个轮作系统（前茬+主茬作物）的角度评估了轮作的整体效益。与单一作物连作相比，轮作能协同提升总产量（+23%）、膳食能量（+24%）、蛋白质（+14%）及铁、锌等微量元素（+17-27%），同时使收入增加20%。研究发现了许多产量、营养与收益“三赢”的案例，但个别轮作序列（如从玉米连作转为大豆-玉米轮作）可能导致这些指标的下降，表明科学选择轮作模式的重要性。

图3 相较单作，作物轮作通常能提升膳食能量、营养素供应及经济效益

全球区域轮作优化路径

图4从全球尺度评估了在主要农业产区，从当前主流种植模式转向优化轮作（或错误地转为单作）所带来的影响。结果表明，在单作主导地区（如西非、南美），采用推荐的轮作模式可使产量、营养和收益提升超过80%；而在轮作普及地区（如欧洲），若从轮作退化为单作则将导致约20%的损失。凸显了因地制宜推广轮作对实现农业可持续发展的巨大潜力。

图4 全球主要农业产区推荐轮作与单作体系在产量、膳食营养与收益方面的效益对比

中国农业大学资源与环境学院丛汶峰教授、草业科学与技术学院荆晶莹副教授为共同通讯作者，中国农业大学资源与环境学院中非科技小院Shingirai Mudare博士为第一作者，中国农业大学张福锁院士、梁政渊博士，美国明尼苏达大学David Tilman院士、Zoe Sims博士，法国巴黎萨克雷大学、法国农业食品环境研究院David Makowski，瑞士联邦食品科技农业研究所、西湖大学Thomas Cherico Wanger教授，西交利物浦大学助理教授何雪清等共同参与工作。

研究获得了国家重点研发计划（2024YFE0105000, 2022YFD1900200），国家自然科学基金（32271610）、植物-土壤相互作用引智基地（1031-00100701），国家留学基金委（CSC）中非科技小院项目、北京市高精尖学科建设项目（农业绿色发展）、中国农业大学高层次“杰出人才”计划等项目的资助。