一项为期九年的研究比较了典型的两年一次玉米和大豆轮作与更密集的三年轮作，三年轮作包括玉米、谷物黑麦、大豆和冬小麦，发现三年轮作系统可以在不影响产量的情况下显著减少农田径流中的氮（一种重要的农作物营养素）。
一项为期九年的研究比较了典型的两年一次玉米和大豆轮作与更密集的三年轮作，三年轮作包括玉米、谷物黑麦、大豆和冬小麦，发现三年轮作系统可以在不影响产量的情况下显著减少农田径流中的氮（一种重要的农作物营养素）。
新发现详细发表于期刊《环境科学前沿》。
“地下排水管称为瓷砖，将氮以硝酸盐的形式从田地输送到溪流，这会损害下游的地表水，”科学家们写道。农田的硝酸盐径流污染了溪流和湖泊，其中一些为附近社区提供饮用水。硝酸盐还沿主要河流如密西西比河流向墨西哥湾，导致一个庞大的缺氧“死区”。
“为了实现最大化的作物生产，我们需要人工排水，以瓷砖和沟渠的形式覆盖伊利诺伊州的大片土地。不幸的是，硝酸盐可能会随着瓷砖水从根系区流失，”伊利诺伊大学香槟分校的自然资源与环境科学研究员洛威尔·詹特里说，他与伊利诺伊州皮亚特县的种植者和土地拥有者埃里克·米勒共同领导了这项新研究，该研究就是在此地进行的。“我们的研究旨在观察更具多样性的作物轮作是否能减少瓷砖硝酸盐损失，同时仍与传统的玉米和大豆系统具有竞争力。”
从2015年到2023年，研究人员确定了作物产量，并监测了一个在运作农场上的瓷砖排水田地的硝酸盐损失。他们的“对照处理”由两个常规管理的田地（实行玉米和大豆轮作）组成。更密集的三年作物轮作系统则应用于一个相邻的田地。这个田地首先种植玉米，随后是一个完整生长季节的大豆，再接着是冬小麦。小麦的夏季收获后，同年再种植第二批大豆，或双季大豆。在玉米和大豆之间，种植了谷物黑麦作为冬季覆盖作物以保护土壤。谷物黑麦在大豆种植前用除草剂终止，并允许在土壤表面分解，为下一个作物提供养分。
轮作系统之间的一个主要区别是耕作的数量。对照田地在秋季和春季都完全耕作，但研究人员在三年轮作中仅在玉米田中进行了一条狭窄的带状耕作，这样每三年仅将总田地的三分之一进行耕作。詹特里说：“通过在同一时间仅进行大约三分之一的土壤带状耕作，我们需要九年才能完全耕作这块田地。”这增强了土壤的稳定性。
像谷物黑麦和冬小麦这样的作物是在秋季玉米和大豆作物收获后种植的。这些作物保持土壤的完整性，有助于减少土壤侵蚀和养分流失，詹特里说。耕作土壤并使其在秋季、冬季和春季裸露会增加土壤侵蚀，促进耗氧微生物的生长，这些微生物消耗土壤有机物，释放更多硝酸盐。
种植者、政策制定者和科学家们花费数十年寻找减少农业土地硝酸盐流失的方法。一些方法涉及使用木屑生物反应器或安装湿地来捕获径流。但这些方法意味着种植者失去了硝酸盐的施肥能力。
詹特里说：“生产肥料成本非常高，因此我认为更具战略意义的是努力保存氮气，也就是说要将其留在田地中，而不是让其流失。”他表示：“谷物黑麦和冬小麦正是可以做到这一点的作物。它们在秋季、冬季和春季吸收了足够的氮，从而降低了土壤硝酸盐水平。这减少了瓷砖中的硝酸盐水平。”
研究人员发现，三年轮作的瓷砖硝酸盐损失比正常轮作减少了50%。团队发现这是在不影响产量的情况下实现的。
这项长期实验得到伊利诺伊州营养研究与教育委员会的连续资助，使团队能够学到一些重要的经验教训。有一年，湿天气阻止了谷物黑麦覆盖作物的早期终止，使其生长得过高。增加的生物量使瓷砖硝酸盐径流降低了90%——这是一项积极的结果——但过量的黑麦也削弱了大豆的生产力，当年降低的产量达10%。另一年，一次早期的杀冻对双季大豆的影响降低了产量，并在次春季增加了瓷砖硝酸盐损失。
詹特里还注意到，随着时间的推移，常规管理的田地在暴雨后有时会积水，而实验田地则没有。
“我认为这是实验田地耕作量少的结果，加上在多样化作物轮作中蚯蚓现在很丰富，”他说。“值得注意的是，两种轮作都使用了常规的除草剂方案，所以我们知道不是除草剂在杀死蚯蚓；而是耕作。”
詹特里表示，早期迹象表明这两种系统的经济效益相当。
“这项研究是一个理念证明，即更具多样性的轮作可以实现这种可持续集约化，即在减少硝酸盐损失的同时改善土壤质量。希望重建促进土壤生成自然过程的条件，将改善土壤质量和健康，扭转我们农业土壤有机物下降的几十年的趋势。”
