来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/7/18 15:34:11
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FASE | 前沿综述:草田轮作引入富含草本科和豆科的多种牧草的农学效益和环境效益

论文标题:Agronomic and Environmental Benefits of Reintroducing Herb- and Legume-Rich Multispecies Leys into Arable Rotations: A Review (草田轮作引入富含草本科和豆科的多种牧草的农学效益和环境效益)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Emily C. COOLEDGE , David R. CHADWICK , Lydia M. J. SMITH , Jonathan R. LEAKE , Davey L. JONES

发表时间:15 Jun 2022

DOI:10.15302/J-FASE-2021439

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可持续作物与牧草系统

Sustainable Crop and Pasture Systems

专 辑 文 章 介 绍

· 第七篇 ·

▎论文ID

Agronomic and Environmental Benefits of Reintroducing Herb- and Legume-Rich Multispecies Leys into Arable Rotations: A Review

综述:草田轮作引入富含草本科和豆科的多种牧草的农学效益和环境效益

发表年份:2022年

第一作者:Cooledge

通讯作者:Cooledge

 e.cooledge@bangor.ac.uk

单位:英国班戈大学自然科学学院。

Emily C. COOLEDGE,David R. CHADWICK, Lydia M. J. SMITH, Jonathan R. LEAKE, Davey L. JONES. AGRONOMIC AND ENVIRONMENTAL BENEFITS OF REINTRODUCING HERB- AND LEGUME-RICH MULTISPECIES LEYS INTO ARABLE ROTATIONS: A REVIEW. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(2): 245271 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021439

· 文 章 亮 点 ·

1. 草田轮作可以缓解土壤退化和侵蚀。

2. 多物种牧草可以改善牲畜健康并减少温室气体排放。

3. 轮作植被构成对提升生态效益至关重要。

4. 耕作地区缺乏牲畜基础设施阻碍牧草种植的应用推广。

5. 循证决策需要长期(如10–25年)研究。

· Graphical abstract ·

图1 通过种植富含草本和豆科的多物种牧草实现生物学驱动的再生农业

· 研 究 内 容 ·

▎引言

2100年全球预估人口将增至109亿,需要通过可持续的集约化农业系统增加约48.6%的粮食产量。然而目前的农业管理是不可持续的,大量投入农用化学品和肥料导致温室气体大量排放,害虫和除草剂抗性增加,生物多样性丧失,以及土壤退化等问题。土壤退化是农田土壤生态系统服务面临的主要威胁。许多欧洲国家为提高农业生产效率与生产力,连续种植单一作物,加剧了土壤质量下降。在世界许多地区,与集约化农业相比,通过引入农牧结合系统可增强农业系统的气候适应性、环境可持续性和经济可行性;该系统采用草田轮作,种植不同类型的牧草来提升土壤质量和生产力,如豆科牧草可通过共生固氮增加土壤肥力,有利于减少对后续作物无机氮的投入。当前研究主要集中于多物种牧草对牲畜健康和生产力、牧草产量和温室气体排放的影响,而对多物种牧草提升耕地土壤质量的研究较少。本综述重点讨论在作物轮作中引入多物种牧草和牲畜放牧的潜在效益和影响,包括生态系统服务、土壤结构、土壤碳氮循环、牲畜温室气体排放、牲畜生产力和农业可持续性。

▎耕地轮作中加入牧草种植对其生态系统服务的影响

政策、土地使用和管理制度严重影响现代农业的生态系统服务。生态系统服务主要包括四类:供给服务(如食品和纤维生产)、调节服务(如气候调节)、文化服务(如娱乐)和支持服务(如营养循环和生物多样性)。当前政府通过制定相关农业环境规划来修复集约化农业对生态系统服务造成的损害,如建设物种丰富的牧场等,但这些计划因降低供应服务而导致采纳率较低。同时,这些计划在生物多样性、碳储存、温室气体减少和水质等关键指标方面几乎没有实质性的改善。因此,需要替代策略来提升当前和未来的农业环境发展水平。将多物种牧草和牲畜纳入草田轮作中,能够增强供应服务,并改善集约化耕作造成的危害(图2)。

图2 耕作、牲畜养殖和种养结合(草田轮作)提供的生态系统服务和危害

牧草可用于青贮饲料、干草或草料生产,多物种草田中放牧牲畜可以提高农场生产力,以弥补种植面积减少造成的经济损失。下文将详细探讨在耕地轮作中种植多物种牧草所能提供的支持和调节服务。目前对多样化永久性草地提供的生态系统服务研究较多,而对在退化耕地中引入多物种牧草所提供的生态系统服务缺乏研究。评估多物种牧草的潜在效益和危害仍需进一步研究,特别是如何在后茬作物中维持这些服务。

▎牧草对土壤质量的影响

农用化学品、化肥、耕作制度、高温及强降雨都会破坏土壤结构,降低土壤肥力。在种养结合的草田轮作系统中可以利用覆盖作物、牧草和牲畜来改善土壤退化,避免过多的化学品和机械投入。牧草可以改善耕地土壤结构,增加土壤肥力,提高产量,扰乱害虫和病原体的生命周期。在相同土壤及作物类型,不同耕作管理制度下,连续种植与放牧的轮作草田的比较研究尚未有报道。本文通过探究多物种牧草对土壤结构和相关生物功能指标的影响,从多个方面来评估在种养结合系统中引入多物种牧草具有的潜在效益和危害。

▎草田轮作中的碳氮循环

草田轮作可以改变微生物群落组成、生物量、农业土壤活性,以及碳和氮循环。土壤温度、土壤性质(如pH值)、草田植被、养分和栽培管理都会影响土壤微生物群落,土壤微生物群落反过来影响耕地土壤的碳固持。在三叶草中混种车前草或香菜等,可以增大土壤中真菌与细菌的比率,同时减少革兰氏阳性菌数量,这表明微生物群落生长更快且更活跃。然而目前缺少田间多物种牧草种植影响微生物群落组成、生物量及其多样性的研究。

“千分之四”(4-per-mille)计划拟每年增加0.4%的全球土壤有机质含量,以补偿增加的大气温室气体排放。例如,英国草田轮作预计可使英国的有机碳净存量每年增加1.6 吨每公顷。但有人认为该倡议在实际的土地管理中是难以实现的,也是不划算的。利用草田轮作提高土壤有机碳在很大程度上取决于土壤条件和管理水平。文中总结了先前利用草田轮作进行的全球田间试验报告中土壤有机碳含量变化。

草田轮作豆科作物可部分或完全替代化肥。例如,在苜蓿轮作草田中可节省50%以上的氮肥投入。硝化抑制剂通过抑制细菌将铵氧化为硝酸盐,进而减少淋溶、径流和反硝化过程中的氮损失,提高氮利用率。车前草等草本作物根系可分泌硝化抑制剂,抑制周边土壤中的硝化作用。

反刍动物(如牛和羊)的肠道甲烷排放是畜牧业生产中甲烷排放的重要来源。菊苣、车前草、红豆草和鸟脚三叶草(莲花角)等多物种牧草中含有植物次生代谢产物,如单宁、皂甙和精油等,可调节瘤胃中微生物产生甲烷。研究报告显示,植物次生代谢物可以减少牲畜系统内的甲烷排放,牲畜饮食与甲烷产生间的复杂关系仍需进一步的研究。

此外,增加草田轮作中的放牧面积,可能会增加牲畜N2O排放。多物种牧草中含有高水平次生代谢物可以减少牲畜排泄物的N2O排放。

▎牲畜健康与生产力

草田轮作中的多物种牧草可以减少牲畜胃肠道中的线虫。多牧草牧场的植物次生代谢物是一种天然的驱虫剂,可以减少牲畜体内的寄生虫数量。研究表明,种植车前草、菊苣、鸟脚三叶草和紫花苜蓿等的多牧草牧场内,感染寄生虫的粪便蛋数低于对照草地或三叶草牧场。

▎可持续农业集约化和恢复力

实现集约化农业的可持续性是环境研究的关键。从生物多样性、产量、土壤养分和有机质、土壤结构,以及对抵御灾害方面可知,草田轮作在集约化和可持续上仍具有很大的潜力。草田轮作中豆科作物的固氮有助于减少后茬作物对氮肥的需求。深根作物可以提高表层土壤、地表作物、牲畜中的微量营养元素,这将有助于缓解现代食品生产中微量元素缺乏的“隐形饥饿”问题。

▎总结与展望

评估草田轮作中的农学和环境效益主要包括:

1.多物种牧草对土壤微生物群落、生物多样性及退化耕地土壤功能的影响;

2.多物种牧草植物次生代谢物对瘤胃微生物功能、牲畜肠道甲烷排放、牲畜氮利用率和胃肠道寄生虫的影响;

3.多物种牧草分泌硝化抑制剂的潜力;

4.温室气体排放清单需要加入N2O和肠道甲烷排放;

5.多物种牧草对肉类和牛奶中微量营养元素含量的影响;

6.多物种牧草对极端天气的耐受性和恢复力;

7.多物种牧草改善土壤肥力;

8.根据长期试验(10–25年)评估生态系统服务,确定最佳管理策略;

9.评估多物种牧草对社会经济的影响,调整种植结构,为特定农场和国家的经济评估提供依据。

摘要

Agricultural intensification and the subsequent decline of mixed farming systems has led to an increase in continuous cropping with only a few fallow or break years, undermining global soil health. Arable-ley rotations incorporating temporary pastures (leys) lasting 1–4 years may alleviate soil degradation by building soil fertility and improving soil structure. However, the majority of previous research on arable-ley rotations has utilized either grass or grass-clover leys within ungrazed systems. Multispecies leys, containing a mix of grasses, legumes, and herbs, are rapidly gaining popularity due to their promotion in agri-environment schemes and potential to deliver greater ecosystem services than conventional grass or grass-clover leys. Livestock grazing in arable-ley rotations may increase the economic resilience of these systems, despite limited research of the effects of multispecies leys on ruminant health and greenhouse gas emissions. This review aims to evaluate previous research on multispecies leys, highlighting areas for future research and the potential benefits and disbenefits on soil quality and livestock productivity. The botanical composition of multispecies leys is crucial, as legumes, deep rooted perennial plants (e.g., Onobrychis viciifolia and Cichorium intybus) and herbs (e.g., Plantago lanceolata) can increase soil carbon, improve soil structure, reduce nitrogen fertilizer requirements, and promote the recovery of soil fauna (e.g., earthworms) in degraded arable soils while delivering additional environmental benefits (e.g., biological nitrification inhibition and enteric methane reduction). Multispecies leys have the potential to deliver biologically driven regenerative agriculture, but more long-term research is needed to underpin evidence-based policy and farmer guidance.

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