《环境管理杂志》（Journal of Environmental Management）2024年发表的题为《玉米/花生间作轮作提高了中国旱作区生态碳收支和经济效益》的研究，由韩飞（西北农林科技大学）、Talha Javed（中国热带农业科学院）、Sadam Hussain（西北农林科技大学）等组成的跨机构团队完成。该研究针对干旱农业区长期单一种植导致的土壤退化问题，创新性地提出通过豆科与禾本科作物的带状轮作间作（strip rotation intercropping）优化种植模式，为可持续农业提供理论和实践依据。

学术背景与研究目标

干旱地区占全球耕地的40%，玉米单作（monoculture）是该区域主要种植模式，但长期单作导致土壤养分耗竭、碳排放增加及经济效益下降。尽管玉米与豆科间作（intercropping）被证实可提升资源利用效率，但长期连作障碍（continuous cropping obstacle）限制了花生的可持续生产。本研究旨在：（1）评估玉米/花生轮作间作对土壤健康、温室气体排放及碳预算的影响；（2）量化该模式的经济效益；（3）提出适应干旱区的低碳种植方案。

研究方法与流程

研究在陕西杨凌开展为期5年（2018–2022）的田间试验，设置四种处理：玉米单作（M）、花生单作（P）、玉米/花生间作（I）、玉米/花生轮作间作（RI）。实验设计核心如下：

1. 实验设计与田间管理

   • 种植布局：间作采用4行玉米与4行花生交替带状种植（行距45 cm），轮作间作每年交替种植带位置。
     
   • 施肥方案：玉米施氮260 kg/ha，花生施氮90 kg/ha，分基肥与追肥施用。
     
   • 数据采集：测定土壤总氮（TN）、有机碳组分（SOC，包括极易分解碳CvL、易分解碳CL、较难分解碳CLl、非易分解碳CNL）、温室气体（CO2、CH4、N2O）通量及作物产量。
     

2. 分析方法

   • 碳预算核算：生态系统碳输入（ECinput）包括肥料、能源、人工等间接成本；碳输出（ECoutput）含地上生物量、根系及分泌物。净碳预算（ECbudget）为ECoutput与ECinput差值。
     
   • 统计模型：采用SPSS 27.0进行ANOVA分析，差异显著性通过Duncan检验（p<0.05）。
     

主要研究结果

1. 土壤与产量响应

   • 土壤氮与碳组分：轮作间作显著提升土壤TN（较间作增加7.96–11.55%）及活性碳含量（CvL与CL），表明轮作缓解了连作障碍。
     
   • 产量优势：轮作间作的土地当量比（LER）始终>1（2021年达1.31），边行花生产量贡献率最高，干旱年份（2022年）经济效益较单作提升156.59%。
     

2. 碳排放与碳效率

   • 温室气体减排：轮作间作减少N2O排放18.11–31.07%，间接CO2当量排放降低3.14%。
     
   • 碳利用效率：轮作间作的碳利用效率（CUE）和碳持续性指数（CSI）均高于单作，2021年碳减排效率（CEEY）提升51.94%。
     

3. 经济与生态协同效益

   • 轮作间作年均净经济效益达1908美元/ha，较单作提高69.22%，同时生态系统碳输入减少10.46%，净碳收支增加29.14%。
     

研究结论与价值

该研究证实，玉米/花生轮作间作通过优化资源分配和土壤微环境，实现了“增产-减排-增效”三重目标。其科学价值在于：（1）揭示了轮作间作缓解连作障碍的机制；（2）建立了干旱区碳-经济协同评估框架；（3）为政策制定者提供了低碳农业实践依据。应用层面，该模式可推广至类似生态区，助力碳中和目标。

研究亮点

1. 方法创新：首次将带状轮作与间作结合，并量化其碳-经济协同效应。
   
2. 发现突破：明确花生边行产量对LER的边际贡献，提出“生物灌溉”缓解干旱胁迫的机制。
   
3. 长期数据：5年田间试验覆盖极端气候年份，结论具有高可靠性。
   

其他价值

研究得到国家重点研发计划资助，数据公开性高，可为后续模型构建提供基础。附录中补充的SOC组分分析方法（Chan et al., 2001）为土壤碳研究提供了技术参考。