【文献推荐】 Agric Ecosyst Environ：豆科作物在非洲的可持续集约化小农农业中的作...

文章信息

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英文题目：The role of legumes in the sustainable intensification of African smallholder agriculture: Lessons learnt and challenges for the future

中文题目：豆科作物在非洲的可持续集约化小农农业中的作用：经验教训和未来挑战

期刊名称：Agriculture, Ecosystems and Environment (影响因子：4.241)

发表年份：2019年

第一作者：Bernard Vanlauwe

通讯作者：Bernard Vanlauwe

作者单位：International Institute of Tropical Agriculture, PO Box 30772, Nairobi, 00100, Kenya

Highlights

1. 在供氮不足的土壤条件下，豆科作物生物固氮潜力的综合利用还需要进一步研究。

2. 合理地选择品种进行组合可能会显著增加豆类作物的固氮量。

3. 为了提高粮食产量，降低相关风险，需要全面了解影响粮食产量的主要因素。

4. 有关间作或者轮作对粮用豆科作物的益处以及氮平衡的相关资料尚不足以判断这种体系的可持续性。

研究内容

扩大农业用地不再是非洲撒哈拉以南人口密集区农业发展的一种选择，并且为了保护如森林等自然生态系统，需要加强该地区的小农农业，不再是简单的扩大农业用地。而即使在农业用地仍在扩张的地区，也需要集约化农业生产，以跟上人口不断增长的步伐。

贫瘠的土壤肥力是主要的生产限制因素，土壤肥力综合管理（ISFM）是非洲农业可持续集约化的核心。豆科植物在ISFM中起着关键作用，因为它们可以与根瘤菌共生固氮，能够提供有机养分，并可通过提高肥料吸收量、抑制杂草来抵消其他制约因素。此外，豆类提供的有机投入对土壤化学、物理和生物特性产生积极影响，从而可以提高作物产量，降低温室气体排放量。

在非洲撒哈拉以南地区的大多数农作系统中，豆科作物的种植规模相对较小（图1），其中最突出的豆科作物是粮用豆类。粮用豆类作物可供家庭食用或者出售得到回报，其农作物秸秆还可作为优质牲畜饲料。此外，粮用豆类植物也可以通过轮作和间作的方式整合到几乎所有农业系统中。粮用豆类的种植规模往往和市场中的利益收支相关。例如，乌干达西北部的农民会在交易价格合适的市场附近增加花生或豆类的种植面积(图2)。在大多数国家，如莫桑比克，对大豆的需求随着家禽养殖的增多而增多。

图1. 1980 - 2016年非洲撒哈拉以南地区豆科作物所占耕地比例

图2. 乌干达北部三个地点（Moyo、Arua、Koboko）的一组家庭生产单位的年人均产值

1.豆科-根瘤菌共生

在非洲建立有效的豆科-根瘤菌共生关系的主要途径包括：（1）利用优良品系选育能提高生物固氮效率的豆科基因型；（2）选择足够混杂的粮用豆类或豆类基因型，能够与土壤中存在的土著根瘤菌种群有效结瘤；（3）接种有效的根瘤菌菌株。

生物固氮作用既依赖根瘤菌菌株，也依赖豆科植物的基因型，不同基因型豆科植物的生物固氮能力存在差异。因此，为了改善生物固氮，必须进行作物育种。温度、土壤湿度和土壤肥力等环境因素都可能对豆科植物的生物固氮性能产生很大影响。非洲豆科植物的育种最近着重于关注耐旱性，以及其他生物和非生物限制。具有较高生物固氮潜力的基因型的育种需要作为一个重要性状组合，可以通过在氮养分限制的土壤条件下接种根瘤菌进行选择而实现。对土壤酸度等其他限制条件的选择会比较困难，需要根据具有代表性的贫瘠土壤仔细选择筛选地点。杂交豆科品种通常对接种反应敏感。早期的研究也表明，遗传多样性高的品种可以从根瘤菌接种中获益。通过接种优良菌株可以提高混杂基因型大豆的产量。在一些接种实践中，菌株在第一年表现较好，但不能在土壤中成功定植，需要重新接种。另一种情况是菌株需要2-3年才能成功地在土壤中定植，之后将会具有强大的竞争力，难以被取代。而第三种情况则是需要每年用同样的品系重新接种，可以保证更高的结瘤率和产量。因此，研制适应环境的不同菌剂并保证菌剂的有效性将对可持续农业的发展作出重要贡献。

2.豆类作物农艺学特性与生产力

非洲撒哈拉以南许多国家的经验表明，粮用豆类作物可以获得较高的产量，例如大豆的产量有时可以超过3 t/ha，并能固定大量空气中的氮（图3）。除了根据当地环境（E）调整一个可兼容和有效的G_Lx G_R组合外，还需要优化作物管理（M），以保障谷物豆类的高产和固氮能力。

图3. 在肯尼亚西部三个农业生态区，豆科植物固氮的输入量随着豆科植物的大量生长而增大

最近的研究表明，在非洲撒哈拉以南农民的农田中，是否接种菌剂以及不同磷水平下，豆类作物产量有很大的差异。接菌与磷水平的联合效应为加性效应，而不是协同作用。了解作物反应的变异性有助于相关决策的制定，提供更具体的建议并规避相关风险，值得迫切研究关注。

固有的土壤肥力状况是确保豆科作物高产的关键、土壤肥力的差异主要归因于对有机肥料的管理，离宅基地较近的农田往往比离宅基地较远的农田更肥沃。在土壤条件较好的肥沃地区，豆类作物固氮量较大。豆科植物对磷的吸收比禾本科植物更为有限，使得豆科植物高度依赖与丛枝菌根的共生关系。

3.豆科作物对农业系统的贡献

豆科作物对种植体系具有不同程度的贡献。间作提高了多种种植体系的集约化程度。粮用豆类作物可以在第一个雨季与木薯等生长缓慢的作物间作，能够提高两种作物的产量。合理的农艺措施、种植密度、作物布局和种植时间均可以提高系统的生产力。虽然间作豆类作物是一种较好的种植方式，但有多少豆类作物固定的氮转移到相关的非豆类作物仍然是一个重要的研究问题。

在种植豆科作物之后，谷物作物的产量增加，这在一定程度上归因于豆科作物对谷物氮需求的贡献。研究表明，豆科固氮的投入会为后续作物带来更大的效益，包括提高磷活化能力，减少病虫害，也有助于土壤有机碳的富集。当与豆科作物轮作时，谷类作物的产量也会大幅增加。但是我们还需要进行更详细的机理研究，以探究谷物豆类作物固氮过程以及相关过程。

主要结论

在过去的几十年里，人们在理解豆科作物的农艺学特性、豆科作物与根瘤菌之间的共生关系、生物固氮对农业系统的益处以及豆科作物在这些系统中的时空整合等方面取得了实质性进展。在豆科作物农艺学和生产力研究方面，需要更好地了解影响粮食产量的主要因素，以改进种植措施。虽然已经证明磷是豆科植物生长的关键营养元素，但还需要探究其他营养元素在地理空间上表达的局限性。此外还要探索土壤中作物对肥料或接种剂产生反应的限制因素。

关于豆科作物对农田系统的贡献，有关间作对相关作物的效益或轮作中氮平衡的信息尚不足以判断这种系统的氮需求和可持续性。相关的种植方式需要考虑到不同的农业生态条件和小农的多样性，以确定“最适合”的解决办法。在全球范围内，由于减少了氮肥的使用、提高肥料的使用效率和增加土壤中碳的输入，这种效益也可以扩大到对环境的影响。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.agee.2019.106583