摘要:为了提高作物产量,单作种植模式被广泛采用,但长期适应这种种植模式会带来弊端,因为它会加剧土壤养分消耗,降低土壤质量,尤其是在旱地地区。从传统玉米单作转变为间作可以提高可持续生产能力。然而,玉米/花生间作,特别是种植带轮作的玉米/花生间作对旱地碳收支和经济效益的影响仍不明确。本研究开展了一项为期5年的田间试验,以评估玉米/花生间作配合种植带轮作对土壤健康、间接CO2当量温室气体排放以及生态系统碳输入的影响。
关键词:间作、轮作-间作、经济效益、净生态系统碳收支、温室气体排放
文 章 信 息
译名:中国干旱农区玉米/花生轮作间作提升了生态系统碳预算与经济效益
发表时间:2024年2月27日
期刊IF:6.3(2024)
第一单位:中国西北农林科技大学农学院
通讯单位:中国西北农林科技大学农学院
文 章 亮 点
1.不同种植体系的经济效益和碳预算得到了评估。
2.玉米/花生轮作间作可以缓解连作障碍。
3.与玉米单作相比,RI可以提高对干旱天气的抵抗力。
4.与M相比,RI是可持续农业的一个可行替代方案。
文 章 简 介
1. 研究意义
将豆科植物与玉米间作,通过作物多样化具有显著提升农业可持续性的潜力。玉米和豆科植物在形态和生长习性上存在较大差异,这有助于有效利用包括阳光和土壤养分在内的可用资源,并最终提高作物干物质产量和粮食产量。且间作系统需要的能量投入相对较少,这也为减少农业资源投入直接或间接产生的温室气体排放提供了一条重要途径。因此,将豆科植物与玉米间作可以视为一种低碳且高产的农业实践,能够为农业可持续性提供支持。 在旱地地区,众多关于间作的研究揭示了其对作物生产力的影响。然而,关于旱地农业中玉米/花生间作系统的土壤有机碳(SOC)和温室气体(GHG)排放的数据相对较少。本研究的目的是通过综合考虑关键产量、经济效益和环境相关因素(SOC、GHG排放和碳收支)来评估旱地地区玉米/花生间作的可持续性。因此,在本实验中,进行了为期五年的田间试验,以评估四种耕作系统(即玉米单作、花生单作、玉米/花生间作和轮作玉米/花生间作)在中国黄土高原地区对土壤健康、GHG排放和生态系统碳(EC)输入的影响。我们假设:1)玉米/花生轮作间作能够显著克服连作系统的障碍,并提高整体生产力,使其超过玉米/花生单作以及间作;2)玉米/花生轮作间作能够显著改善土壤健康和碳利用效率,并减少GHG排放和生态系统碳输入。2. 研究方法
本研究在中国陕西省杨凌区西北农林科技大学进行(纬度:34°17’ N,经度:108°08’ E)。试验场地为温带季风气候,年总降水量为500 mm,年潜在蒸散量约为800 mm。2022年,试验区发生了严重干旱,玉米VT至R4阶段的降水量为276 mm,仅为前四年平均降水量的38%。本研究采用四种处理:玉米单作(M)、花生单作、玉米/花生间作(I)和玉米/花生轮作间作(RI)。根据当地的施肥制度,对玉米(尿素 260 kg N ha-1和磷酸钙120 P2O5kg ha-1)和花生(尿素90 kg N ha-1和磷酸钙120 P2O5kg ha-1)进行施肥。玉米/花生间作分为玉米条带和花生条带,并分别进行施肥。对于玉米单作和间作条带,施肥分为两次施用:基肥施用90 kg N/ha和120 kg P2O5/ha,V6阶段追肥施用170 kg N/ha。对于花生单作和间作条带,所有肥料均作为基肥一次性施用。3. 结果
3.1 土壤全氮含量
轮作系统对播种前土壤全氮(TN)含量无显著影响(Fig. 1)。总体而言,追肥后土壤全氮含量的顺序为:花生单作<间作花生带<间作玉米带<玉米单作。间作玉米与玉米单作之间的土壤全氮含量差异逐渐减小。在2021年和2022年追肥后60天时,与间作相比,轮作间作中玉米带的土壤全氮含量分别增加了11.55%和7.96%,而2020年并未出现这一现象。3.2 SOC组分
种植制度对播种前土壤有机碳组分没有显著影响(Fig. 2)。间作中种植花生提高了收获后农田土壤的易氧化碳(CVL)含量。在2021年和2022年,花生单作的土壤轻组有机碳(CL)含量显著高于玉米单作。间作中种植花生对农田土壤的易氧化碳(CVL)和难氧化碳(CNL)含量没有显著影响。3.3 产量和经济效益
间作后,玉米单株产量平均增加了21.90%,而花生单株产量平均减少了23.55%(Fig. 3)。2019年至2021年间,间作花生相对于单作的花生单株产量逐年减少,导致土地当量比(LER)也逐年降低。在2022年(极端干旱年份),玉米遭受了严重的生长压力,而间作中花生的生长压力减轻,导致LER突然增加。在间作中轮换种植带后,随着实验年份的推移,花生产量显著增加。种植带的轮换也在2021年提高了玉米产量。重要的是,2021年和2020年间作的LER小于1,而轮作间作的LER始终大于1。与玉米单作相比,玉米/花生间作在2020年不仅经济效益上没有优势,反而在2021年经济效益上处于劣势(Table 2)。轮作间作的经济效益始终高于玉米单作和间作。2022年玉米遭受干旱,而间作和轮作间作中种植花生分别使农田的经济效益提高了82.61%和156.59%。3.4 温室气体排放
不同耕作系统之间的CO2排放量和CH4吸收量没有显著差异(Table 1;Fig. S4)。追肥后,玉米单作的土壤N2O排放量显著高于间作和轮作间作。由于未补充肥料,花生单作的土壤N2O排放量最低。间作和轮作间作处理之间的N2O排放量没有显著差异。
3.5 EC预算
间作和轮作间作的能源投入效率(ECinput)仅为玉米单作的88.77%至90.55%(Table 2)。花生种植在能源和人力方面的碳成本高于玉米,但间作的能源投入效率较低是由于氮肥投入较少(Table S2)。碳利用效率(CUE)和碳收获指数(CSI)的降低顺序为:花生单作>轮作间作>间作>玉米单作(Table 2),这表明花生的产量与耕作系统的碳利用效率有关,尤其是在干旱年份。在2020年和2021年,尽管玉米的单位产量碳排放效率(CEEY)最高,但其单位面积碳排放效率(CEEE)却最低。轮作间作的单位面积碳排放效率高于间作。
4. 讨论
4.1 不同种植制度的产量与土壤碳氮
土壤氮是影响旱地作物生产力的主要因素。研究中发现,在不补充氮肥的情况下,间作花生条带的土壤氮水平显著低于玉米单作,这可能是由于花生对土壤N的吸收利用较高。然而,玉米的间作优势足以弥补氮缺乏带来的产量损失,这可能是因为间作玉米能够获得更多的光辐射和CO2,从而增加对土壤氮的吸收和利用。此外,花生向玉米的潜在氮转移以及土壤的低肥力保持能力也是维持产量的重要原因。在第四种植年,轮作间作的土壤TN含量高于间作,这有助于提高玉米的产量,并表明轮作间作对土壤肥力的提升有利于长期生产力的提高。而研究发现不同耕作系统对SOC含量的影响不显著。然而,间作花生条带的土壤CVL含量显著高于间作玉米条带,这可能与花生根系的固碳作用及土壤中的养分运输有关。尽管研究中未直接观察到SOC含量的显著增加,但土壤CVL含量的提高可能有助于土壤肥力的维持和提升。4.2 不同种植制度的碳排放与经济效益
研究结果显示,与玉米单作相比,尽管花生在栽培上更为繁琐和昂贵,但轮作间作不仅具有土地利用优势,而且其经济效益也持续高于玉米单作和简单的玉米/花生间作。这主要归因于轮作间作系统中花生边行的产量增加,以及由此带来的更高的经济回报。此外,从碳排放的角度来看,虽然花生栽培的经济投入较高,但其较低的生态系统碳输入却使得轮作间作在生态系统碳排放效率(CEE)、生态系统碳利用效率(CUE)和生态系统碳可持续性指数(CSI)方面均表现出优于玉米单作和玉米/花生间作的性能。这表明轮作间作系统不仅能够提高经济效益,还有助于实现环境友好的可持续农业生产。5. 主要结论
玉米/花生轮作间作显著缓解了旱地农业中的连作障碍。与玉米单作相比,轮作间作减少了3.14%的二氧化碳当量温室气体(GHG)排放和10.46%的生态系统碳输入,同时提高了69.22%的经济效益。轮作间作还提高了生态系统碳排放效率、生态系统碳利用效率(CUE)、生态系统碳可持续性指数(CSI),并有可能提升区域可持续性。因此,玉米/花生轮作间作系统将是提高旱地农业可持续作物生产的有前景的替代方案。此外,还需要进一步的研究来探究不同种植密度下玉米/花生轮作间作在资源捕获、生态系统碳预算和经济效益方面的机制。Reference:
Fei Han, Talha Javed, Sadam Hussain, et al. Maize/peanut rotation
intercropping improves ecosystem carbon budget and economic benefits in the dry
farming regions of China. J. Environ. Manage. (2024)
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120090
本期分享来自2023级农艺与种业专业硕士研究生彭诗雨