中国旱作农业区玉米/花生轮作间作系统对生态系统碳收支及经济效益的影响研究
作者及发表信息
本研究由西北农林科技大学农学院Fei Han、Talha Javed、Sadam Hussain等十余位学者合作完成，通讯作者为Xiaoli Chen和Xiaolong Ren。论文于2024年1月31日在线发表于期刊《Journal of Environmental Management》（卷353，文章编号120090）。研究得到陕西省重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
学术背景
科学领域：研究属于旱作农业可持续生产与生态系统碳管理交叉领域。
研究动机：长期单一种植（如玉米连作）导致旱区土壤养分枯竭、环境风险加剧（如温室气体排放）。间作（intercropping）虽能提升资源利用效率，但传统玉米/花生间作因种植带固定可能导致花生连作障碍。
核心问题：如何通过优化间作模式（如轮作间作，rotation-intercropping）平衡产量、经济效益与碳减排目标？
研究目标：评估玉米/花生轮作间作对土壤健康、温室气体排放及碳收支的影响，验证其可持续性。
研究设计与方法
1. 实验设计与处理
- 地点与周期：2018–2022年在中国陕西黄土高原旱作区开展5年田间试验。
- 处理组：
- 单作（Monoculture）：玉米单作（M）、花生单作（P）
- 传统间作（Intercropping, I）：4行玉米与4行花生交替种植
- 轮作间作（Rotation-intercropping, RI）：每年轮换玉米与花生的种植带位置
- 样本量：完全随机区组设计，每组3次重复，样地面积54 m²（10 m×5.4 m）。
2. 数据采集与分析
- 土壤指标：
- 每年播种前和收获后采集0–20 cm土层样品，测定总氮（TN）和有机碳组分（SOC，分为易氧化碳Cvl、活性碳Cl等4类）。
- 创新方法：采用Chan等（2001）提出的硫酸梯度氧化法量化SOC不同活性组分。
- 温室气体排放：
- 静态箱-气相色谱法测定CO₂、CH₄、N₂O通量，按IPCC（2014）标准转化为CO₂当量。
- 产量与经济收益：
- 分带测定间作系统中边界行（border rows）与中间行（middle rows）的花生产量差异。
- 经济收益计算基于当地市场价格，扣除投入成本（肥料、能源、人力等）。
- 碳收支模型：
- 生态系统碳输入（ECinput）：包括直接排放（温室气体）与间接成本（肥料生产、农机能耗等）。
- 生态系统碳输出（ECoutput）：作物地上/地下生物量及根系分泌物碳固定量。
- 净碳收支（ECbudget）：ECoutput − ECinput；计算碳利用效率（CUE）和可持续性指数（CSI）。
主要结果
1. 土壤健康与氮动态
- 轮作间作显著提升土壤氮含量：2021–2022年，RI处理的花生带土壤TN较传统间作提高7.96%–11.55%，缓解了花生连作障碍。
- 有机碳组分变化：花生种植带Cvl（易氧化碳）含量显著高于玉米带，表明豆科作物促进短期碳循环。
2. 产量与经济效益
- 土地当量比（LER）：RI处理的LER持续＞1（2021年1.31，2022年1.52），显著优于传统间作（2021年LER＜1）。
- 经济效益：RI系统在干旱年份（2022年）经济收益较单作玉米提高156.59%，主要源于花生边界行增产（竞争减少）。
3. 碳减排效应
- 温室气体排放：RI系统N₂O排放较玉米单作降低31.07%，间接碳排放减少3.11%。
- 碳收支优化：RI的净碳收支（ECbudget）较单作平均提高29.14%，碳利用效率（CUE）提升51.94%（2021年）。
结论与意义
科学价值：
1. 首次量化了轮作间作模式对旱区农田碳收支的协同优化效应，提出“碳-经济双赢”理论框架。
2. 揭示了花生边界行增产机制与SOC活性组分的动态响应关系，为间作系统设计提供新思路。
应用价值：
- 政策建议：在黄土高原等旱区推广玉米/花生轮作间作，可降低氮肥依赖（农民成本减少）、增强抗旱能力（极端干旱下产量更稳定）。
- 环境效益：每公顷农田年减排CO₂当量约3.11%，符合中国“双碳”战略需求。
研究亮点
- 方法创新：结合硫酸梯度氧化法与碳收支模型，实现SOC活性组分与系统碳汇能力的精准评估。
- 长期验证：5年田间试验涵盖正常与极端干旱年份，结论更具普适性。
- 跨学科整合：融合农学、生态学与环境经济学，为可持续农业提供多维优化方案。
补充发现：
- 轮作间作通过改变根际微生物群落（未直接测定，需后续研究）可能进一步缓解连作障碍，此假设值得深入解析。
（报告全文约1800字，涵盖研究全流程与核心发现）