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为解决华北平原（NCP）小麦 - 玉米（WM）连作导致的水资源短缺等问题，研究人员开展多样化两年轮作（春作物→WM）对冬小麦产量和水分利用效率（WUE）影响的研究。发现轮作显著提升产量和 WUE，为节水农业提供策略。
在华北平原这片重要的粮食主产区，冬小麦的生产面临着严峻挑战。长期以来，小麦 - 玉米（WM）连作模式虽保障了粮食产量，却引发了一系列环境问题：地下水超采导致水位以每年约 0.5 米的速度下降，土壤质量退化、氮素淋失等问题也愈发突出。与此同时，气候变化使得降水变率增大，有限的水资源与作物需水之间的矛盾日益尖锐。如何在水资源受限的情况下，既保证小麦产量又提高水分利用效率，成为农业可持续发展亟待解决的难题。
为了破解这一困局，中国农业大学的研究人员开展了一项为期 6 年（2015-2021 年）的田间实验。他们设计了五种处理：以传统的小麦 - 玉米连作（WM）为对照，另外四种多样化两年轮作系统分别为春玉米→WM（WMME）、春谷子→WM（WMML）、春花生→WM（WMMP）和春大豆→WM（WMMS），旨在探究多样化轮作对冬小麦产量和水分利用效率的影响及其机制。该研究成果发表在《The Crop Journal》上，为华北平原的节水农业提供了重要的理论和实践依据。
研究人员采用了以下主要技术方法：
- 田间实验设计：随机区组设计，3 次重复，每个小区 72 平方米，设置 1 米隔离带，确保处理间无干扰。
- 土壤水分监测：在冬小麦不同生育期（播种、返青、拔节、开花、成熟），利用土钻采集 0-200 厘米土层的土壤样本，测定土壤含水量（SWC）和土壤水分储存量（SWS）。
- 产量与生理指标测定：收获时测定穗数、穗粒数、千粒重、地上生物量和收获指数，计算籽粒产量；通过蒸散量（ET）计算水分利用效率（WUE）。
- 数据分析：运用 R 软件进行方差分析（ANOVA）、线性混合模型、Pearson 相关性分析和结构方程模型（SEM），探讨轮作系统、降水与产量及水分利用的关系。
3.1 籽粒产量和产量构成因素
研究发现，轮作系统、实验周期及其交互作用对小麦产量有显著影响。与 WM 相比，多样化轮作在三个周期内平均增产 38.6%-47.5%。其中，Cycle 1（2015-2017 年）因小麦生育期降水量比 Cycle 2 和 Cycle 3 高约 60%，产量增幅为 33.8%-55.7%。产量增加的主要贡献因素是穗数和地上生物量，多样化轮作在小麦生育中后期（返青、拔节、开花期）的蒸散量更高，促进了干物质积累。
3.2 地上生物量和收获指数
地上生物量和收获指数受轮作系统和周期影响显著。多样化轮作的地上生物量在各周期均显著高于 WM，平均高 21.0%-23.3%；收获指数在 Cycle 2 和 Cycle 3 分别比 WM 高 37.9%-49.9% 和 24.6%-30.5%，表明轮作系统提高了光合产物向籽粒的分配效率。
3.3 土壤含水量和土壤水分储存量
土壤水分储存量（SWS）随小麦生长进程呈下降趋势，且受轮作和周期影响显著。Cycle 1 的高降水使返青、拔节、开花期的 SWS 比 Cycle 3 高 7.7%-13.5%。多样化轮作在播种期的 SWS 低于 WM，但在生育中后期，0-80 厘米土层含水量更高，而深层土壤（120-180 厘米）在成熟期含水量较低，表明轮作促进了根系对深层水分的利用。
3.4 蒸散量和水分利用效率
蒸散量（ET）在不同生育阶段和轮作系统间差异显著。多样化轮作在生育中后期（拔节至开花、开花至成熟）的 ET 显著高于 WM，平均增加 14.5-26.2 毫米，而播种至返青期的 ET 降低。相应地，轮作系统的 WUE 比 WM 高 37.3%-56.1%，表明其通过优化水分利用阶段提高了水资源生产力。
3.5 相关性分析和结构方程建模
相关性分析表明，小麦产量与 SWS、降水、ET 及 WUE 呈显著正相关，穗数是连接水分因子与产量的关键中介变量。结构方程模型进一步证实，轮作系统通过调节土壤水分动态，直接或间接影响穗数，进而提高产量和 WUE。
研究结论与讨论
本研究证实，多样化两年轮作系统（春作物→WM）通过调控土壤水分的时空分布，使水分供应与作物需水同步，显著提高了冬小麦的产量和水分利用效率。具体表现为：在降水较多的年份，轮作促进浅层土壤水分利用和根系分布；在干旱年份，减少浅层蒸发，促进深层水分吸收，从而增强系统的水分适应性。此外，轮作还通过增加穗数和地上生物量，提升了产量构成因素的协同效应。
该研究的重要意义在于：
- 理论价值：揭示了多样化轮作提高产量和 WUE 的水分调控机制，为节水栽培理论提供了新视角。
- 实践指导：提出了适合华北平原的可持续轮作模式，在减少灌溉需求的同时保障粮食安全，有助于缓解地下水危机。
- 政策参考：为农业结构调整和水资源管理提供了科学依据，助力 “藏粮于技” 和 “节水优先” 战略的实施。
尽管研究未分离轮作强度与多样性的独立效应，但长期田间数据明确了多样化轮作在节水增产中的综合优势，为干旱半干旱地区的农业可持续发展提供了可复制的解决方案。
