将豆科作物轮作与最佳氮肥管理相结合，可以提高枣棉间作系统的棉花产量，并减少温室气体排放

《European Journal of Agronomy》：Integrating legume rotation and optimal nitrogen management enhances cotton yield and mitigates greenhouse gas emissions in a jujube-cotton intercropping system

可持续农业实践中，轮作与氮肥优化协同作用对棉花-酸枣树间作系统产量、环境效益及土壤质量的影响。研究显示，轮作系统较连续种植使棉花年产量提高23.8%，CO?和N?O排放分别降低13.8%和21.09%，土壤质量指数提升41.35%，且280 kg N·ha?1氮肥处理在降低温室气体强度（GHGI）达29.74%的同时，产量稳定性（CV）降低24.86%。轮作结合氮肥优化可同时提升生态系统经济收益（NEEB）达15.6%，实现生产与环保的协同增效。

　　在这篇研究中，科学家们探讨了在干旱农业生态系统中，如何通过将豆科作物轮作与优化氮肥管理相结合，来提高棉花产量并减少温室气体排放。研究团队在新疆阿拉地区，对一个长期的枣树-棉花间作系统进行了为期三年的田间试验，目的是评估豆科作物轮作（以苜蓿作为豆科作物）对棉花产量、土壤健康和温室气体排放的影响。该研究对于推动可持续农业发展具有重要意义，尤其是在全球气候变化背景下，如何在不牺牲产量的前提下降低农业对环境的负面影响，是现代农业面临的重要课题。

### 农业与环境的协同关系

农业是全球温室气体排放的重要来源之一，约占总排放量的9%-14%。其中，土壤释放的氧化亚氮（N?O）和二氧化碳（CO?）是主要的农业温室气体。随着气候变化的加剧，如何在确保粮食安全的同时，减少农业对环境的负担，成为全球农业发展的核心议题。因此，研究者们提出了一个综合策略，即通过豆科作物轮作和优化氮肥使用，实现农业产量与环境可持续性的双重目标。

豆科作物轮作在农业可持续发展中被广泛认为是一种有效的实践。豆科植物能够通过生物固氮作用，将大气中的氮气转化为植物可利用的氮源，从而显著降低对合成肥料的依赖。此外，豆科作物的根系和落叶能改善土壤结构，提高土壤有机质含量，从而提升土壤肥力。这种自然的氮源补充机制不仅有助于提高后续作物的产量，还能减少温室气体的排放，尤其是在干旱地区，这种效果更为明显。

### 田间试验设计与实施

研究采用的是分块试验设计，主要对比了两种种植模式：一种是连续种植棉花（M），另一种是苜蓿-棉花轮作（R）。每种主要种植模式均设定了四个氮肥施用量水平：N0（0 kg N/ha，作为对照）、N1（140 kg N/ha，低氮肥）、N2（280 kg N/ha，中氮肥）和N3（420 kg N/ha，高氮肥）。这些氮肥施用量的设计旨在评估不同氮肥输入对作物产量和温室气体排放的影响。

实验区位于新疆阿拉地区的塔里木大学园艺试验站，该地区属于干旱的温带大陆性沙漠气候，年均降水量不足80毫米，而潜在蒸发量却高达2100毫米以上。这种极端的气候条件对农业管理提出了更高的要求，同时也为研究提供了独特的环境背景。实验区的土壤分析结果显示，其pH值为7.95，属于弱碱性土壤，有机质和总氮含量分别为11.15 g/kg和1.01 g/kg，而可利用磷和钾含量分别为37.74 mg/kg和129.34 mg/kg。

实验的实施包括了详细的作物种植和管理过程。例如，在2022年春季，苜蓿被种植在R1区域，而棉花则在R2和M区域继续种植。2023年春季，苜蓿被轮换至R2区域，R1区域则种植棉花，同时进行土壤深翻。2024年春季，R2区域的苜蓿被收割，土壤再次深翻，随后种植棉花。M区域则继续维持枣树-棉花间作系统。整个实验过程中，采用了包括地膜覆盖、滴灌施肥、农药和除草剂等在内的综合田间管理措施，以确保实验的科学性和数据的准确性。

### 温室气体排放与土壤质量的改善

在实验过程中，研究人员使用静态气室法监测土壤中的温室气体排放，包括CO?和N?O。气室的安装深度为10厘米，位于棉花单作区和枣树-棉花间作区。通过定期采样，研究人员能够准确测量不同时间点的温室气体排放量，并计算其排放强度。实验结果表明，与连续种植相比，轮作模式下的CO?和N?O排放量分别减少了13.80%和21.09%。此外，轮作模式还显著降低了温室气体排放强度，平均降低了29.74%。

土壤质量的改善是轮作和优化氮肥管理的另一个关键结果。土壤质量指数（SQI）在轮作模式下提高了41.35%，这主要得益于豆科作物带来的生物固氮作用和有机质的增加。同时，土壤有机碳（SOC）和总氮（STN）含量在轮作条件下显著提高，而土壤容重（SBD）则有所降低。这些变化表明，轮作不仅有助于改善土壤结构，还提高了土壤的养分含量，从而为后续作物的生长提供了更优质的土壤环境。

### 棉花产量与经济收益的提升

在棉花产量方面，轮作模式下棉花产量平均提高了23.80%，而优化氮肥施用量（N2，280 kg N/ha）则使产量增加了15.60%。此外，轮作模式下的土地利用效率（LER）也显著提高，平均超过了连续种植模式。这表明，轮作不仅能够提高单位面积的棉花产量，还能优化土地资源的利用，提高农业的整体效益。

经济分析结果显示，轮作与优化氮肥施用量相结合的模式（即R-N2）带来了最高的净生态系统经济效益（NEEB），达到了35,560.88元/公顷。这种经济收益的提升主要得益于产量的增加和温室气体排放的减少。同时，研究人员还通过可持续性指数（SBI）评估了不同处理模式下的综合效益，结果显示轮作与中氮肥施用量（N2）在提升农业可持续性方面表现最佳。

### 产量稳定性与系统可持续性

在产量稳定性方面，轮作模式下的棉花产量波动较小，其变异系数（CV）降低了17.94%，而可持续性指数（SYI）则提高了4.07%。这些结果表明，轮作不仅能够提高产量，还能增强农业系统的稳定性，使其在面对气候变化和环境压力时更具韧性。相比之下，连续种植模式在高氮肥施用量下，棉花产量的波动性增加，这可能与过量氮肥导致的土壤微生物活动增强有关。

研究还发现，优化氮肥施用量（N2）在提高产量的同时，有效降低了温室气体排放。这表明，中等氮肥施用量能够实现农业产量和环境效益之间的最佳平衡。同时，通过优化氮肥施用量，研究人员能够减少对合成肥料的依赖，从而降低农业对环境的负面影响。

### 未来研究方向与实际应用

尽管本研究取得了显著成果，但仍有进一步研究的空间。例如，可以深入探讨豆科作物轮作对土壤微生物群落的影响，以及不同氮肥施用量对土壤微生物活性的具体作用机制。此外，研究者还建议未来的工作应关注如何在更广泛的农业系统中推广这一模式，以支持全球向低碳、可持续农业的转型。

综上所述，这项研究为干旱地区农业的可持续发展提供了重要的理论依据和实践参考。通过将豆科作物轮作与优化氮肥管理相结合，不仅能够有效提高棉花产量，还能显著降低温室气体排放，从而实现农业生产的环境友好型发展。未来的研究应继续探索这一模式的潜在机制，并推动其在更大范围内的应用，以促进全球农业的绿色转型。